国产TP347H FG钢管蒸汽氧化层特征研究

国产TP347H FG钢管蒸汽氧化层特征研究
郭岩  贾建民  侯淑芳  唐丽英  琳琳   西安热工研究院有限公司
摘  要：本文在实验室条件下对三种不同晶粒度的国产TP347H FG钢管试样进行了650℃下、不同时间的模拟蒸汽氧化试验，然后利用光学显微镜、扫描电镜、能谱分析仪和X射线衍射仪等分析设备对氧化试验后的这些试样内壁氧化层形貌、成分及其相组成进行了对比试验研究。结果表明：晶粒度越均匀且晶粒度级别越高的试样，形成的氧化层厚度越均匀且越薄，抗蒸汽氧化性能越好，因而国内钢管制造厂商需控制钢管的晶粒度级别和级差。
关键词：TP347H FG；蒸汽氧化；晶粒
1前言
节能和环保是目前世界各国普遍关注的问题，在火力发电站的设计过程中必须考虑降低燃料消耗和减少CO2排放，这就需要提高电站锅炉的蒸汽温度和压力，进而对电站关键材料提出了更高的要求，尤其是材料的高温强度、抗高温腐蚀和氧化能力等[1]。当前已经投运的大功率高参数超超临界火电机组的蒸汽温度和蒸汽压力在600℃和28MPa左右，蒸汽锅炉的高温部件（如过热器和再热器）所采用的材料一般为奥氏体不锈钢S30432/Super304H，TP347H FG，TP310HCbN/HR3C等[2]。在高温蒸汽环境下，锅炉管内壁形成氧化层，会使管子有效壁厚减薄，同时氧化层达到一定厚度时，会发生剥落，堆积在弯头处，可能导致弯头部位因堵塞而局部温度过高引起爆管；另外，脱落的氧化皮会在高温高压蒸汽的带动下冲蚀汽轮机叶片，威胁到机组安全稳定性运行[3-8]。因此，很有必要深入研究这类材料的蒸汽氧化机理，以便从锅炉管选材、运行参数控制和材料表面防护等方面提出一些控制氧化皮生长速度和剥落总量的有效措施。目前，国内外研究人员都已针对锅炉管内壁氧化皮生长和剥落这一共性问题开展了不少的试验研究工作，并提出了诸如通过细化晶粒和表面处理技术来提高耐热钢的蒸汽氧化抗力等许多预防和控制措施[9-13]，其中TP347H FG钢是在TP347H的基础上通过特定的热加工和热处理工艺而开发出的抗蒸汽氧化性能良好的细晶奥氏体不锈钢[14]。在600~750℃温度范围内，TP347H FG的许用应力比TP347H高20%以上，同时还具有高的蠕变强度，因而TP347H FG被广泛应用于超超临界机组锅炉过热器和再热器。鉴于晶粒度及其均匀性对于细晶奥氏体不锈钢的抗蒸汽氧化性能有很大的影响，本文系统研究不同晶粒度的国产TP347H FG钢的蒸汽氧化层特征，以便全面了解国产TP347H FG钢管的抗蒸汽氧化性能。
1．实验方法
试样取3根国产锅炉管，规格分别为Φ51×10 mm、Φ45×10.5 mm和Φ45×8.5 mm，标记为A、B和C管样，化学成分和组织晶粒度如表1所示。显而易见C管样组织晶粒度级别高于A和B管样，Si的含量高于A和B管样，Cr含量低于A和B管样。
表1 TP347H FG钢的化学成分和晶粒度
编号        C        Si        Mn        S        P        Cr        Nb        Ni        N        Co        Cu        晶粒度
A        0.09        0.31        1.29        0.003        0.009        18.08        0.82        11.06        0.062        0.16        0.16        7～8级, 局部4级
B        0.08        0.3        1.34        0.001        0.022        18.72        0.94        11.92        0        0        0        7级, 局部6级
C        0.079        0.52        1.18        0.001        0.013        17.89        0.76        10.82          0        0        0        8级,局部7级
蒸汽氧化试验在自制的高温蒸汽氧化试验装置中进行，该装置能够模拟火力发电厂蒸汽流通部件的高温蒸汽氧化状态；氧化试验前，采用抽真空和高纯氩气（纯度99.9999%）除氧方法对试验用水进行除氧处理，试验用水的溶解氧含量低于25 ppb，将除氧处理后的试验用水输送到蒸发桶内进行持续加热，连续产生氧化试验所需的蒸汽，然后直接通入带有恒温装置的样品室中进行蒸汽氧化试验；氧化试验温度为650℃，试验时间分别为100 h、200 h、410 h、650 h和1000 h；每个时间点停炉时，用氩气冷却系统。试样为瓦片状，瓦片的内、外弧分别为管子的内、外壁原始表面，样品的长（沿管子纵向）、宽（沿管子环向）尺寸分别约为12 mm和20 mm。为保证各样品的内弧面（即管子原始内表面）状态在加工过程中不受到机械或化学损害，试样均采用电火花切割方法直接从管子上切取，并对切割下来的试样内表面进行了保护。试样在氧化试验前采用丙酮和超声波进行清洗，以除去样品表面的油污，然后烘干，随后在干燥器中放置12 h以上，以保证试样处于干燥状态。
氧化试样以横截面为金相磨面，抛磨制成金相试样。借助Zeiss AXIO Imager A1m光学显微镜和FEI Quanta-400HV扫描电镜观察整个氧化层形貌特征，选10个扫描电镜观察视场，每个视场的氧化层内、外层面积除以直线长度，分别获得氧化层内、外层的厚度，10个视场的氧化层内、外层厚度的平均值分别为氧化层内、外层的厚度。X射线能谱仪（OXFORD INCA）进行氧化层成分分析，X射线衍射（XRD）分析氧化层的相组成。

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2012-2-3 21:00 上传

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