循環(huán)流化床鍋爐用高溫耐磨蝕熱電偶保護套管

摘要:針對熱電偶保護套管在循環(huán)流化床鍋爐中的失效機理,開(kāi)發(fā)了新型鐵基高溫合金材料和細長(cháng)盲管制備技術(shù)。該合金在室溫下的平衡組織為奧氏體+少量鐵素體+碳化物陶瓷相。在750℃表現出了抗沖蝕性能。采用該合金制備出細長(cháng)盲管，和不銹鋼延長(cháng)管焊接制備出不同規格的高溫耐磨蝕熱電偶保護套管,在循環(huán)流化床鍋爐上應用,取得了良好的效果。
0引言
       循環(huán)流化床鍋爐(CirculatingFluidizedBedBoiler,CFB)具有燃料適應性廣燃燒效率高,能有效燃燒包括劣質(zhì)煤和固體垃圾在內的許多低熱值燃料脫硫率高氮化物排放量低、負荷調節比大等突出優(yōu)點(diǎn),在電力城市供熱工廠(chǎng)蒸汽生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應用。床溫是循環(huán)流化床(CEB)鍋爐穩定經(jīng)濟運行的一個(gè)關(guān)鍵參數。它主要通過(guò)在燃燒室密相區布置多支熱電偶進(jìn)行測量,將多個(gè)測量值進(jìn)行綜合運算后得出床溫表征值。由于循環(huán)硫化床鍋爐爐膛內的溫度高，氣氛腐蝕性大。叫固態(tài)爐料燃燒時(shí)對測溫元件的沖刷,常規熱電偶根本不能滿(mǎn)足其測溫要求，即使選用了耐磨性較好的材料,熱電偶的壽命也只有3個(gè)月左右。為解決上述問(wèn)題,利用自行開(kāi)發(fā)的鐵基耐磨合金及特種深盲孔鑄造技術(shù),制備出高性?xún)r(jià)比的熱電偶保護套管,在循環(huán)流化床鍋爐上應用,取得了很好的效果[2-3]。
1熱電偶保護套管在循環(huán)流化床鍋爐中的失效機理
循環(huán)流化床鍋爐測溫點(diǎn)主要有:
(1)流化床區:溫度范圍為0~1100℃,介質(zhì)中含有煤粉、煤塊CO、CO2、SO2、NH3等,流化狀態(tài)的物料具有很強的沖刷力,燃燒產(chǎn)生的硫化物具有很強的氧化腐蝕性;
(2)旋風(fēng)簡(jiǎn)分離器的出入口及回料器:溫度范圍為0~1100 ℃,旋風(fēng)筒分離器的入口介質(zhì)顆粒流速約為25m/s,有極強的沖刷力;
(3)流化床冷渣器、省煤器冷渣器等:溫度范圍0~800℃,測量環(huán)境有灰渣顆粒.CO、CO2、SO2等。
       上述測量環(huán)境對循環(huán)流化床鍋爐測溫熱電偶提出了特殊要求,即要求耐磨耐高溫耐沖刷耐腐蝕,使用壽命長(cháng)。
       經(jīng)驗表明熱電偶損壞主要是由于其保護套管過(guò)早時(shí)效引起的，而熱電偶的失效主要表現為保護套管表面因高溫腐蝕和磨損造成材料變質(zhì)和損失,所以提高熱電偶的使用壽命關(guān)鍵是要提高熱電偶保護套管的使用壽命。工作在循環(huán)流化床中的熱電偶首先要承受鍋爐內高速流動(dòng)的熱煤粉煙灰等固體顆粒會(huì )對套管的沖刷磨損;其次要承受鍋爐內高溫氧化性氣體的熱腐蝕和H2S.SO2等腐蝕性氣體的腐蝕及煤粉煙灰等固體物質(zhì)中存在的鹽類(lèi)也會(huì )對套管表面產(chǎn)生腐蝕,顯然,熱電偶保護套管的工作環(huán)境極其惡劣,影響因素也很多,但在這些因素中對套管壽命影響是高溫沖蝕。
       熱電偶保護套管在鍋爐中應用,工作部位一般為端部200~300mm的區域。該部位也是容易失效的部位。傳統的熱電偶保護管是利用不銹鋼管,按所需長(cháng)度截斷，然后以焊接的方式將端部封口,通常呈球面體封閉,經(jīng)常由于焊條和套管的材料不符及焊接不良等原因,使套管在不長(cháng)的時(shí)間內燒蝕損壞。在1000℃以上的高溫區，0Cr25Ni20套管平均使用壽命僅為60~90天左右,影響正常生產(chǎn),造成了很大浪費。
2高溫耐磨蝕合金材料設計
       熱電偶保護套管在循環(huán)流化床鍋爐中應用,抗沖蝕能力是影響其使用壽命的關(guān)鍵性能指標。所選材料應當具有良好的.高溫熱強性抗疲勞沖擊能力高溫耐磨性能。在工業(yè)中應用,還必須考慮到經(jīng)濟上的因素?；谝陨弦蛩?設計出一種耐磨耐蝕鐵基合金,通過(guò)控制Cr、Ni、C等元素含量,獲得以?shī)W氏體為基體組織,相當數量碳化物為強化相的理想組織。主要成分設計如下:C為0.85%,Cr為30%,Ni為8%，Si為1.5%,Mn為2%,V<0.9%,Rc≤0.3。采用中頻感應電爐熔煉,然后澆注成型。
3合金組織結構與性能
3.1組織結構
        采用KYKY.2800B型掃描電鏡進(jìn)行組織形貌觀(guān)察,該鐵基合金在鑄態(tài)下的金相組織表現為顏色相對較深的基體組織和白亮色的網(wǎng)狀組織(見(jiàn)圖1)。采用H-800型透射電鏡做選區電子衍射分析，，結果表明,基體組織主要為奧氏體+少量鐵素體,后者主要為金屬碳化合物,這些碳化物主要是鉻的碳化物鐵的碳化物釩和鉬的碳化物以及它們形成的復合碳化物,如:Cr23C6、Cr7C3、VC、(Fe,Cr)23/6、(Fe,Cr)7C3等。由于V和Re都具有細化晶粒的能力,該合金的奧氏體晶粒較細,大小在10µm左右,碳化物主要分布在奧氏體的晶界位置,形態(tài)較為細小。部分TEM分析結果如圖2~圖4所示。r相對應于圖2中的大片白色組織,為該合金材料的主要基體組織,在r相邊界位置,檢測到了少量的a相,合金的基體組織為奧氏體+少量鐵素體。C23C6對應于圖3中標定位置,呈連續分布,含量相對比較多;Cr23C6晶粒尺寸大約為100m左右,晶粒尺寸很細小,接近納米級,這對提高材料的綜合性能具有非常積極的.作用。Cr7C3對應于圖4中標定位置,形狀規則，鑲嵌于基體組織中,呈不連續的顆粒分布。V是強碳化物形成元素,它與碳的親和力比鉻大得多,當鋼中加入釩達到一定量時(shí),就能使鋼.中的碳首先與釩形成碳化物,避免了γ相中大量Cr的析出。在奧氏體化過(guò)程中,凝固過(guò)程中形成的碳化釩顆粒具有“釘扎”作用,阻礙晶界移動(dòng)和晶粒長(cháng)大,細化了奧氏體晶粒。
3.2高溫沖蝕性能
       新型合金材料的高溫沖蝕磨損試驗在GW/CS.MS裝置



       參照ASMG76-95標準進(jìn)行，該設備為模擬燃煤電站鍋爐省煤器和一級過(guò)熱器承受燃氣飛灰磨粒沖蝕磨損工況下的垂直氣.砂噴射式高溫沖蝕磨損試驗裝置,試驗的具體工作參數為:大氣環(huán)境,試驗溫度為750℃,磨粒選用粒度為70~110目范圍的石英砂,磨粒速度為62m.s^-1氣壓0.05MPa,沖擊角為15°、30°、45°、60°、90°,沖蝕時(shí)間30min,總砂量為200g沖蝕后對試樣稱(chēng)重。采用DT-100型電子天平測量沖蝕磨損失重量,結果如圖5所示。

       把沖擊粒的運動(dòng)方向和被沖擊的切線(xiàn)方向間的夾角稱(chēng)為沖蝕角,也稱(chēng)攻角,通常用α表示。當粒子的正面沖向靶面時(shí)其攻角為90°，大量試驗結果表明,材料的沖蝕失重與粒子的攻角有密切關(guān)系,習慣用最大沖蝕率出現的攻角為判據靶材流失規律定義為“塑性和“脆性”兩類(lèi),前者的最大沖擊角為15°~30而后者則為90°。該試樣的沖蝕磨損峰值都出現在30°左右,是典型的金屬塑性材料。在低攻角(<30°)時(shí),沖蝕率隨攻角增大而增大;超過(guò)30°后,攻角繼續增大,沖蝕率反而減小,90時(shí)達到最小值。這種變化規律與文獻資料中介紹的典型塑性材料最大攻角出現在20°~30處一致。750℃各角度的沖蝕磨損率都在14mg以下,表現出有很好的耐沖蝕性。
4基于該合金材料的細長(cháng)盲管鑄造技術(shù)
       熱電偶保護套管在爐膛中應用,端部磨損是其失效的主要形式。易失效的部位為端部焊接封口處。受焊接材料及焊接熱的影響,該處材料在組織性能上和基材有明顯的不同,成為熱電偶保護套管的薄弱部位。并且該部位伸入爐膛內部,受爐料沖擊較為嚴重。為解決這一問(wèn)題,開(kāi)發(fā)出了細長(cháng)盲孔鑄造技術(shù)。采用自行設計的特種鑄造方法解決了細長(cháng)盲管的一次成型技術(shù)問(wèn)題,具體工藝方法可參見(jiàn)專(zhuān)利“一種耐熱鋼細長(cháng)盲管的鑄造模型(ZL200820172584.0)，19]?？芍苯予T造出內徑>6n;mm,長(cháng)度為300~400mm的盲管。然后把該盲管和普通的不銹鋼管延長(cháng)管焊接,制備出各種規格的熱電偶保護套管。為提高表面光潔度,焊接后可采用車(chē)削方法,去除氧化皮,然后拋光處理,結構及外觀(guān)如圖6所示。采用該方法制備的熱電偶保護管,端部為耐磨合金材料,并且為一次鑄造成型的盲孔,從而避免了焊縫的不利影響,有效地提高了其工作壽命。

       采用該方法制備的熱電偶保護套管在華聚能源公司南屯電廠(chǎng)35T循環(huán)流化床鍋爐中應用,取得了滿(mǎn)意的效果。原來(lái)該廠(chǎng)此類(lèi)部件采用不銹鋼套管平均使用壽命只有2~3個(gè)月左右,而且常常出現因為套管變形彎曲無(wú)法順利取出,更換費時(shí)費力,增加了勞動(dòng)成本和勞動(dòng)強度。而采用新材料和新工藝生產(chǎn)的套管在該鍋爐上使用壽命可達到9~12個(gè)月。
5結束語(yǔ)
(1)循環(huán)流化床熱電偶保護套管的失效是高溫環(huán)境下磨損與腐蝕共同作用的綜合結果,傳統產(chǎn)品采用不銹鋼管并且端部采用焊接的方式封口,受焊接區材料及組織的影響,成為產(chǎn)品優(yōu)先失效的部位,大大縮短了熱電偶保護套管的使用壽命。
(2)自行設計的鐵基合金材料的鑄態(tài)組織為奧氏體+少量鐵素體+連續分布的晶界碳化物,細小的Cr23C6、Cr7C3、VC等碳化物分布在奧氏體晶界上,對材料耐磨蝕性能的提高起著(zhù)積極的作用。
(3)采用該新型材料和細長(cháng)盲管鑄造成型技術(shù)制備的熱電.偶保護套管克服了傳統套管端部采用焊接方式封口的不利影響,具有耐高溫沖蝕性能,很好地解決了循環(huán)流化床鍋爐熱電偶保護套管因高溫沖蝕磨損而過(guò)早失效的問(wèn)題。