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,開發(fā)了新型鐵基高溫合金材料和細長盲管制備技術,。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(xiàn)出了抗沖蝕性能。采用該合金制備出細長盲管,，和不銹鋼延長管焊接制備出不同規(guī)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(nèi)的許多低熱值燃料脫硫率高氮化物排放量低、負荷調(diào)節(jié)比大等突出優(yōu)點,在電力城市供熱工廠蒸汽生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應用,。床溫是循環(huán)流化床(CEB)鍋爐穩(wěn)定經(jīng)濟運行的一個關鍵參數(shù),。它主要通過在燃燒室密相區(qū)布置多支熱電偶進行測量,將多個測量值進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(nèi)的溫度高,，氣氛腐蝕性大,。叫固態(tài)爐料燃燒時對測溫元件的沖刷,常規(guī)熱電偶根本不能滿足其測溫要求，即使選用了耐磨性較好的材料,熱電偶的壽命也只有3個月左右,。為解決上述問題,利用自行開發(fā)的鐵基耐磨合金及特種深盲孔鑄造技術,制備出高性價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)流化床鍋爐測溫點主要有:
(1)流化床區(qū):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)旋風簡分離器的出入口及回料器:溫度范圍為0~1100 ℃,旋風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。
       經(jīng)驗表明熱電偶損壞主要是由于其保護套管過早時效引起的,，而熱電偶的失效主要表現(xiàn)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(nèi)高速流動的熱煤粉煙灰等固體顆粒會對套管的沖刷磨損;其次要承受鍋爐內(nèi)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)中存在的鹽類也會對套管表面產(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(qū)域,。該部位也是容易失效的部位,。傳統(tǒng)的熱電偶保護管是利用不銹鋼管,按所需長度截斷，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,使套管在不長的時間內(nèi)燒蝕損壞。在1000℃以上的高溫區(qū),，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,。基于以上因素,設計出一種耐磨耐蝕鐵基合金,通過控制Cr,、Ni,、C等元素含量,獲得以奧氏體為基體組織,相當數(shù)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(jié)構(gòu)與性能
3.1組織結(jié)構(gòu)
        采用KYKY.2800B型掃描電鏡進行組織形貌觀察,該鐵基合金在鑄態(tài)下的金相組織表現(xiàn)為顏色相對較深的基體組織和白亮色的網(wǎng)狀組織(見圖1),。采用H-800型透射電鏡做選區(qū)電子衍射分析,，，結(jié)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(jié)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(xù)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(guī)則,，鑲嵌于基體組織中,呈不連續(xù)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,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,。在奧氏體化過程中,凝固過程中形成的碳化釩顆粒具有“釘扎”作用,阻礙晶界移動和晶粒長大,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標準進行,，該設備為模擬燃煤電站鍋爐省煤器和一級過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(shù)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°,沖蝕時間30min,總砂量為200g沖蝕后對試樣稱重,。采用DT-100型電子天平測量沖蝕磨損失重量,結(jié)果如圖5所示。

       把沖擊粒的運動方向和被沖擊的切線方向間的夾角稱為沖蝕角,也稱攻角,通常用α表示,。當粒子的正面沖向靶面時其攻角為90°,，大量試驗結(jié)果表明,材料的沖蝕失重與粒子的攻角有密切關系,習慣用最大沖蝕率出現(xiàn)的攻角為判據(jù)靶材流失規(guī)律定義為“塑性和“脆性”兩類,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(xiàn)在30°左右,是典型的金屬塑性材料,。在低攻角(<30°)時,沖蝕率隨攻角增大而增大;超過30°后,攻角繼續(xù)增大,沖蝕率反而減小,90時達到最小值,。這種變化規(guī)律與文獻資料中介紹的典型塑性材料最大攻角出現(xiàn)在20°~30處一致,。750℃各角度的沖蝕磨損率都在14mg以下,表現(xiàn)出有很好的耐沖蝕性,。
4基于該合金材料的細長盲管鑄造技術
       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(nèi)部,受爐料沖擊較為嚴重,。為解決這一問題,開發(fā)出了細長盲孔鑄造技術,。采用自行設計的特種鑄造方法解決了細長盲管的一次成型技術問題,具體工藝方法可參見專利“一種耐熱鋼細長盲管的鑄造模型(ZL200820172584.0)，19],?？芍苯予T造出內(nèi)徑>6n;mm,長度為300~400mm的盲管。然后把該盲管和普通的不銹鋼管延長管焊接,制備出各種規(guī)格的熱電偶保護套管。為提高表面光潔度,焊接后可采用車削方法,去除氧化皮,然后拋光處理,結(jié)構(gòu)及外觀如圖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35T循環(huán)流化床鍋爐中應用,取得了滿意的效果。原來該廠此類部件采用不銹鋼套管平均使用壽命只有2~3個月左右,而且常常出現(xiàn)因為套管變形彎曲無法順利取出,更換費時費力,增加了勞動成本和勞動強度。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個月,。
5結(jié)束語
(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(jié)果,傳統(tǒng)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(qū)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(xù)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積極的作用,。
(3)采用該新型材料和細長盲管鑄造成型技術制備的熱電.偶保護套管克服了傳統(tǒng)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早失效的問題。