高性能CFB鍋爐布風板噴嘴

一、概述

      火力發電廠流化床鍋爐噴嘴通常采用316不銹鋼材料制造，由于噴嘴在850~950℃的高溫狀態下使用，同時在工作介質中又含有一定量的硫成分，因此在運行過程中，噴嘴存在嚴重的硫腐蝕和高溫氧化現象，噴嘴表面出現明顯的因高溫氧化和腐蝕導致的起皮剝落現象，噴嘴壁厚減薄很快，并出現穿透現象。同時，噴嘴在排列時由于后排噴嘴始終對準前面一排吹風，結果導致前排噴嘴的頂部和背部被后排噴嘴嚴重吹損，引起噴嘴背部漏風，并由此造成風壓不穩、風場紊亂，嚴重影響鍋爐設備的正常運行，增加了設備的檢修時間和費用，造成了較大的經濟損失。

      為解決布風板噴嘴的腐蝕與磨損問題，鎮海煉化公司特別立項專門解決布風板噴嘴材料性能低和使用壽命短的問題，并由本公司的兄弟公司浙江科得力新材料有限公司承擔這項重要任務。在鎮海煉化公司有關部門領導和專業技術人員的充分信任和大力支持下，經過一年多時間的研究和開發工作，科得力公司研究、開發、設計并生產出抗高溫氧化性能更為優良HY40A材料的布風板噴嘴，以達到提高布風板噴嘴使用性能、減少設備維修時間和費用、增加鍋爐出力的目的，直接為使用單位帶來良好的經濟效益。

      相比316不銹鋼材料，HY40A具有更好的抗高溫氧化和硫腐蝕性能, 自2005年10月9日開始投入批量使用至今，安全運行時間已經近四年多，使用情況良好，得到了領導和專業技術人員的認可。

      從鍋爐現場取樣均經過運行一年的316不銹鋼材質噴嘴和HY40A材質噴嘴，進行表觀檢查，并進行相關的性能和成分檢測，檢測結果證明：HY40A材料的抗高溫氧化性能和抗高溫吹損性能均明顯優于316不銹鋼。

二、316不銹鋼、HY40A使用前后的顯微硬度對比

1、316不銹鋼材料硬度

2、HY40A噴嘴材料硬度

      結論：316不銹鋼材料經過長期的高溫服役后，由于元素的燒損、組織結構的改變，造成了316不銹鋼噴嘴材料的硬度發生明顯的變化，從而導致其耐磨性也出現明顯的降低。HY40A材料經高溫使用后沒能發現明顯的硬度降低現象。

三、316不銹鋼、HY40A噴嘴使用前后金相組織對比分析

      兩種噴嘴材料的組織狀態都為鑄造態，經過實物取樣、鑲嵌和磨制金相試樣，316試樣用10%過硫酸銨水溶液電解浸蝕，HY40A試樣用過飽和苦味酸水溶液加數滴鹽酸浸蝕，然后用LEICA-DMLM光學顯微鏡（日本）對噴嘴材料的金相組織進行觀察分析，放大倍數選用100倍。

1、316不銹鋼噴嘴金相組織分析

      圖1、2分別為316不銹鋼的原始金相組織和作為噴嘴材料使用一年后的金相組織。從圖1中可以清晰地看出，316不銹鋼的奧氏體基體組織形態，并且在奧氏體基體上分布著許多球狀、長條狀的鐵素體組織。但是從圖2可以看出組織發生了明顯的改變，由于噴嘴使用溫度高達850-950℃，該溫度正好是316奧氏體組織改變的敏感區。在該溫度區域，奧氏體組織中高含量的Cr和Ni元素容易在晶界附近向低Cr、Ni的鐵素體組織中擴散形成晶界化合物和富鉻及富鎳的鐵素體組織，造成奧氏體組織貧鉻和貧鎳，從而造成材料抗氧化和抗腐蝕性能明顯下降，并且容易在腐蝕介質作用下產生晶間腐蝕開裂。由圖2可見，鐵素體晶粒明顯長大，并且局部連成網狀，因此表現出來的是噴嘴的整體使用性能和使用壽命降低。

圖1  316不銹鋼原始金相組織           圖2  316不銹鋼使用一年后金相組織

2、HY40A噴嘴金相組織分析

      圖3、4分別為HY40A噴嘴材料的原始金相組織和使用一年后的金相組織。從圖中可以看出，基體組織也為奧氏體組織，并且沿晶界分布著一定量的MC形式和M23C6形式的碳化物，晶界內亦有少量彌散的M23C6存在，這類碳化物是因為HY40A成分中含有較多的碳元素所致，碳化物能起穩定組織的作用，有效地阻止奧氏體組織改變和長大，從而能確保在高溫下材料的性能不會衰減，延長零件使用壽命。所以，HY40A的抗高溫氧化性能和抗腐蝕性能很好，其使用甚至可達1100℃，耐磨性好源自于HY40A的硬度保持度。事實證明，通過一年的使用，未發現奧氏體晶粒明顯長大的現象，晶界碳化物形態也未出現明顯的改變，如圖4所示。

圖3  HY40A材料原始金相組織                     圖4  HY40A使用一年后金相組織

四、HY40A、316噴嘴現場應用效果對比

      從現場應用照片（圖5~7）可以清晰地看出，316噴嘴存在嚴重的高溫氧化和硫腐蝕現象，噴嘴表面氧化、腐蝕層厚而疏松，極易在運行過程中脫落，所以噴嘴厚度減少迅速；由于316不銹鋼材料硬度低，高溫下硬度下降明顯，造成其在高溫下耐沖蝕能力低下，所以在運行時容易出現局部的沖蝕磨損現象，如噴嘴頂部和后背部。

圖5  316噴嘴使用一年后現場照片                    圖6 失效的316噴嘴側面照片

圖7 失效的316噴嘴正面照片                           圖8 新裝的HY40A噴嘴現場照片

圖9  HY40A噴嘴使用二年后現場照片

      如上所述，HY40A材料的組織和成分決定了其具有大大優于316不銹鋼的耐高溫性能。由于HY40A的組織在高溫下穩定，硬度下降少，所以，HY40A噴嘴在高溫下具有優異的抗氧化、腐蝕性能和抗沖蝕能力，從圖9中可以看出，經二年多時間使用后，HY40A噴嘴外形完整，表面狀況良好，沒有疏松的氧化皮和腐蝕物質產生，噴嘴厚度均勻；在噴嘴的頂部和背部也沒有出現明顯的磨損現象。

五、總結

      通過對HY40A噴嘴使用二年后材料性能的綜合測試，結合對現場噴嘴形貌的仔細觀察，得出以下結論：采用HY40A材料制作的CFB鍋爐布風板噴嘴，在抗高溫氧化、抗高溫磨損、焊接性能等方面性能明顯優于316不銹鋼；HY40A材質噴嘴可成倍地延長噴嘴的使用時間和更換周期，大大減少布風板噴嘴檢修次數和時間，提高鍋爐運行的穩定性和可靠性，增加鍋爐運行時間和整體的經濟效益。根據HY40A噴嘴的現場使用效果判斷，HY40A噴嘴的使用壽命能達到3~6年。HY40A噴嘴值得進一步推廣應用.

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