趙憲萍, 葉桂林, 朱崇武, 孫堅榮

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上?！?00090)

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不同溫度工況下飛灰磨損速度指數(shù)特性的試驗研究

趙憲萍, 葉桂林, 朱崇武, 孫堅榮

(上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海200090)

摘要:沖刷速度是影響飛灰沖蝕磨損的主要因素,速度對沖蝕磨損的影響與溫度有著很大的關(guān)系.研究了12Cr1MoV合金鋼在不同溫度時沖刷速度對磨損率的影響,并且用速度指數(shù)n表征.試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明:在熱態(tài)試驗中(250～550 ℃),飛灰磨損速度指數(shù)為1.006 27~0.827 52;而在常溫態(tài)試驗中,速度指數(shù)達到2.95,基本規(guī)律為飛灰磨損速度指數(shù)隨溫度的升高而降低,且常溫態(tài)的相對磨損率明顯大于熱態(tài)時的相對磨損率.

關(guān)鍵詞：電廠鍋爐; 沖蝕磨損機理; 速度指數(shù); 12Cr1MoV合金鋼

工業(yè)生產(chǎn)中,因磨損導致工程材料失效的事件經(jīng)常發(fā)生.尤其在燃煤電廠,鍋爐對流受熱面由于長期受到飛灰顆粒的沖刷作用,使得受熱面管壁不斷磨損變薄,直至爆管.這種因受熱面爆管而帶來的停爐事故在火電廠中頻頻發(fā)生,在電廠事故中所占比重最大[1].因此,電廠金屬材料的飛灰沖蝕磨損問題一直是行業(yè)亟待解決的問題之一.

顆粒沖刷磨損是一個由多重機制作用且相互交錯的復雜系統(tǒng)過程,諸多因素與它密切相關(guān),如粒子沖刷速度、環(huán)境溫度、金屬材料、顆粒濃度、顆粒大小、氣流氣氛、沖刷角度等,無論哪種因素發(fā)生變化都會引起材料磨損量的改變[2-5].其中,沖刷速度被一致認為是主要影響因素之一.顆粒在沖擊材料表面時,之所以產(chǎn)生磨損是在于其沖刷過程中顆粒所具有的動能,而顆粒的動能與其速度的平方成正比.不僅如此,顆粒撞擊材料表面頻率以及顆粒相對被磨損材料的速度也直接影響了材料的磨損程度.因此,許多研究者認為材料的磨損量與顆粒速度的3次方成正比[6-7].顆粒沖刷速度對磨損的影響由速度指數(shù)來直觀表征.為了尋找速度指數(shù)變化的理論依據(jù)及其規(guī)律,通過多個不同條件的試驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),盡管條件改變會引起速度指數(shù)的大小發(fā)生變化,但對于氣固兩相流來說,無論顆粒濃度、沖刷角度等哪一種條件發(fā)生改變,材料的磨損量都會隨著速度的增大而增大,且顆粒速度對磨損的影響指數(shù)一般介于2～3之間[8].另外,在熱態(tài)環(huán)境中,工程材料的相對磨損量會隨著溫度的升高而降低,當超過某一臨界點溫度時,相對磨損量則會隨溫度升高而增大[9-11].

電廠鍋爐對流受熱面材料中,12Cr1MoV合金鋼是通過加入0.2% 的釩代替部分鉬而生成的鉻鉬鋼,是一種低合金耐熱鋼.一般用于壁溫≤580 ℃的導汽管以及壁溫≤530 ℃的聯(lián)箱的受熱面,是電廠低溫段過熱器和再熱器的常用鋼材.該合金鋼在高溫環(huán)境中(560～580 ℃)具有較高的持久強度、良好的耐腐蝕性和抗氧化性能.然而在長期的高溫工況中服役,會導致鋼材中珠光體結(jié)構(gòu)向鐵素體轉(zhuǎn)變,其內(nèi)部碳化物含量因析出而降低以及合金元素的改變,都使得12Cr1MoV合金鋼的高溫強度和力學性能降低[12-14].因此,本文通過對12Cr1MoV合金耐熱鋼分別進行常溫態(tài)和熱態(tài)的沖刷磨損試驗,研究了在不同溫度環(huán)境工況中沖刷速度對12Cr1MoV合金鋼耐磨損性能的影響.

1試驗裝置及工況

1.1試驗裝置

飛灰沖刷磨損試驗系統(tǒng)如圖1所示.

試驗系統(tǒng)由空氣壓縮機提供的壓縮空氣流經(jīng)閥門進入試驗系統(tǒng).氣流壓力及流量分別由壓力表和轉(zhuǎn)子流量計進行測量.試驗用灰經(jīng)稱量后裝入灰斗,用蝶閥來控制灰斗中灰的下落.給灰裝置采用葉輪式給料,并由調(diào)速機和減速器控制其葉輪轉(zhuǎn)速.灰落入混合室后與氣流混合,并由氣流攜帶進入加速管段,粒子加速到最大可能的速度.在試驗段,氣固兩相流體沖刷試件之后進入水冷卻沉降式除塵器.在此,由于氣體流動方向發(fā)生改變,在慣性力及重力的作用下,大部分的灰留在除塵器中,攜帶少部分灰的氣流進入布袋式除塵器除塵后排向大氣.試件由專門的加熱爐加熱到試驗所需工況溫度.試件沖刷角度按韌性材料的最大沖刷角度30°設計[15].

注:1—壓力表;2—轉(zhuǎn)子流量計;3—預熱電爐;4—溫度計;5—灰斗;6—碟閥;7—葉輪給灰器;8—減速器;9—調(diào)速電;10—混合室;11—加速;12—加熱氣流電爐;13—保溫層;14—溫度計;15—溫度計;16—試驗段;17—試件;18—加熱試件電爐;19—水冷卻式沉降式除塵器;20—布袋除塵器;21—旁路.

圖1飛灰沖刷磨損試驗系統(tǒng)示意

1.2試驗工況

試驗壓力為0.3 MPa(絕對壓力).試驗溫度設定在常溫態(tài)和熱態(tài)(250～550 ℃)溫度范圍內(nèi),且熱態(tài)中以每50 ℃為一個工況點.常溫態(tài)時的氣流速度為60 m/s,80 m/s,100 m/s,120 m/s;熱態(tài)時的氣流速度為80 m/s,100 m/s,120 m/s.試件材料為12Cr1MoV合金鋼圓片,Φ50×4 mm.試驗用灰量為G=2 000 g/工況.

試驗前,采用1/10 000 g精度的高精度自動天平對試件材料進行稱重記錄.試驗后,將試件材料置于干燥皿中冷卻至室溫后取出稱重,失重量為Δg′(mg).由于在熱態(tài)(250～550 ℃)試驗中,試件表面會因氧化導致重量增加,增量為Δg″[16],因此熱態(tài)中試件的實際失重量為Δg=Δg′+Δg″.試件的磨損量采用相對磨損量ΔI,即常溫態(tài)時ΔI=Δg′/G(mg/g),熱態(tài)時ΔI=Δg/G(mg/g).

2試驗數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)理論研究及以往的磨損研究[9],仍采用相對磨損量的數(shù)學模型為:

(1)

式中:ΔI——相對磨損量,mg/g;

a——飛灰磨損性能系數(shù),通過線性回歸得到;

ds——固體粒子的平均粒徑,可由篩分灰份加權(quán)平均得到,μm;

Ws——粒子沖刷速度,由試驗數(shù)據(jù)計算得到;

t——試驗溫度;

m——粒度指數(shù),由以前試驗獲得[5],m=1.876;

n——速度指數(shù),由對試驗數(shù)據(jù)線性回歸得到;

u——溫度指數(shù),由對試驗數(shù)據(jù)線性回歸得到.

對式(1)兩邊同時取對數(shù),即:

(2)

式中:ek——殘差.

(3)

(4)

2.1常溫態(tài)試驗結(jié)果的處理與分析

常溫態(tài)下的試驗曲線如圖2所示.采用數(shù)學模型(1)對常溫態(tài)數(shù)據(jù)進行最小二乘法一元線性回歸處理,回歸公式為:

(5)

由試驗曲線和數(shù)據(jù)處理結(jié)果可明顯看出:常溫態(tài)中,顆粒速度對12Cr1MoV合金鋼的沖蝕磨損的影響隨著粒子速度的增大而不斷增大,且速度指數(shù)n=2.95.這與已有的理論結(jié)果“顆粒速度對磨損的影響指數(shù)一般介于2～3之間”[8]相一致.

2.2熱態(tài)試驗結(jié)果的處理與分析

熱態(tài)下的試驗結(jié)果及回歸曲線如圖3所示.

在試驗溫度范圍內(nèi),相對磨損量隨著溫度的升高呈現(xiàn)先降低再升高的規(guī)律,且在350 ℃左右存在一個臨界轉(zhuǎn)折點.此數(shù)據(jù)處理采用最小二乘法二元線性回歸進行分段回歸,分別獲得回歸數(shù)學方程式如下.

250～350 ℃時:

(6)

350～550 ℃時:

(7)

熱態(tài)時,12Cr1MoV合金鋼的相對磨損量與粒子速度的關(guān)系曲線如圖4所示.

沖刷速度對磨損量的影響總是隨著速度的增加而增大,并以指數(shù)規(guī)律增長.因此,速度指數(shù)n可以表征速度對沖刷磨損的影響.然而,從熱態(tài)試驗數(shù)據(jù)中可以明顯地看出,隨著溫度的升高,速度指數(shù)逐漸減小.臨界溫度前速度指數(shù)n=1.006 27,臨界溫度后速度指數(shù)n=0.827 52,而溫度指數(shù)u分別為-0.989 482和1.741 9.顯然,在熱態(tài)環(huán)境中,速度對磨損的影響隨溫度的升高而逐漸減弱.

2.3常溫態(tài)與熱態(tài)試驗結(jié)果的比較分析

表1列出了不同工況下的速度指數(shù)與溫度指數(shù).由表1可以看出,常溫態(tài)與熱態(tài)時速度指數(shù)差距較大,而且速度指數(shù)隨著溫度的升高而逐漸減小;然而,溫度指數(shù)則隨著溫度的升高而不斷升高.顯然,溫度對磨損的影響隨著溫度的升高而逐漸增強.

將不同溫度下的沖刷速度與磨損率的變化曲線放在同一坐標系中,如圖5所示.

由圖5可以看出,在相同的粒子沖刷速度下,粒子速度對材料相對磨損量的影響,常溫態(tài)明顯大于熱態(tài).

分析其原因主要是,在常溫中,環(huán)境溫度作用較小,金屬表面主要受到顆粒的沖刷作用,因此顆粒速度是影響磨損率的主要因素;熱態(tài)時,材料的物理特性和氣體動力場均會發(fā)生變化.金屬材料在高溫環(huán)境中,其表面因氧化作用形成一層致密氧化膜,且合金元素氧化形成的氧化膜硬度比金屬基體大,對金屬基體形成保護作用[16].同時,高溫中鋼材內(nèi)部碳元素多以CO形式從材料表面析出[13],氧化膜的形成有利于防止合金鋼材料發(fā)生脫碳行為,使得鋼材表面產(chǎn)生碳的富集,金屬表面的耐磨性增強.空氣阻力與動力場中空氣粘度的大小成正比關(guān)系,空氣粘度隨著溫度的升高而增大.在300~450 ℃時,空氣粘度的大小約為20 ℃時的2~4倍[17].因此,顆粒在高溫中所受阻力隨溫度的升高而不斷增大,使得顆粒沖刷金屬材料表面時的速度降低.因此,相同速度時,熱態(tài)的磨損率明顯小于常溫態(tài).

顯然,高溫中的沖蝕磨損研究比常溫態(tài)的研究更加復雜,考慮的因素更多.熱態(tài)的飛灰磨損研究也更加接近生產(chǎn)的實際工況,其研究也更具實際意義和價值.

3結(jié)論

(1) 速度指數(shù)n是表征顆粒速度對沖蝕磨損影響的特征值.試驗數(shù)據(jù)回歸得出:常溫態(tài)時,速度指數(shù)n為2.95.熱態(tài)試驗時,速度指數(shù)為1.006 27;而超過臨界拐點溫度(約350 ℃)后,速度指數(shù)為0.827 52.顯然,速度對磨損的影響在常溫中遠大于熱態(tài),且隨著溫度的升高而逐漸減弱.

(2) 常溫態(tài)時,粒子速度是影響相對磨損率的主要因素;而熱態(tài)時,影響相對磨損率的主要因素則

是溫度,且溫度對磨損的影響隨溫度的升高而增強.

(3) 溫度會引起材料物性及氣體動力場內(nèi)顆粒受力發(fā)生變化,在熱態(tài)中沖蝕磨損的研究更加復雜.

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(編輯白林雪)

Experimental Study on the Characteristic of Velocity Index for Flying-ash Erosion at Different Temperature ConditionsZHAO Xianping, YE Guilin, ZHU Chongwu, SUN Jianrong

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:The velocity is the major effective factor for the flying-ash erosion,and its influence has close relation with the temperature condition.The influence of particle velocity for flying-ash erosion of 12Cr1MoV steel is studied on the experiment,in different temperature conditions,and is characterized by velocity index.The analysis on the data of the flying-ash erosion tests shows that the velocity index for flying-ash erosion varies from 1.006 27 to 0.827 52 in hot conditions from 250 ℃ to 550 ℃,and 2.95 at normal atmosphere temperature.So the basic rule is that the velocity index for flying-ash erosion varies as the inverse temperature and the relative erosion-wear is significantly higher at normal atmosphere temperature than that in hot conditions.

Key words:boiler in power plants; erosive mechanism; velocity index; 12Cr1MoV alloys steel

中圖分類號：TK224.9

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)01-0001-04

基金項目：上海市地方能力建設項目(13160501000).

通訊作者簡介：趙憲萍(1956-),女,教授,山西襄垣人.主要研究方向為鍋爐尾部煙道飛灰磨損.E-mail:

收稿日期：2015-06-04

zhaoxianping@shiep.edu.cn.