新材料及焊接工艺简介

超超临界锅炉受压件材料对锅炉受热受压元件选用材料的考虑，不仅仅是一般意义上的强度、抗腐蚀、抗氧化性能中的某一项技术指标，而是寻求一种具有保证机组安全可靠运行的、并具备优良工艺性能和良好质价比的材料。超超临界锅炉蒸汽温度和压力的提高对材料的热强性能、抗高温腐蚀和蒸汽氧化能力都有更高的要求。在采用与亚临界锅炉或者超临界锅炉相同材料前提下，蒸汽温度和压力的提高势必要求增加材料的厚度（主要是管壁厚度），而厚壁部件的生产、焊接、热处理、探伤等工艺等都有更多的困难，同时还会降低机组的启停速率和调峰能力。要实现高蒸汽参数机组的可靠运行，就必须使用与高的参数相适应的高性能的耐热材料。对于超超临界锅炉受压部件的选材，其特殊性主要体现在水冷壁、末级过热器、末级再热器、主蒸汽管道及集箱等部件。以下对被收录到ASME/ASTM和ASMECODECASE（规范案例）的一部分新型锅炉材料进行简要介绍，其中一些材料已被应用到哈锅承制的国内第一台1000MW等级的超超临界锅炉----玉环工程上，如P92、Super304H和CODECASE2115。一、超超临界锅炉用新型9～12%Cr铁素体耐热钢1．T/P92是一种新型的9%Cr的马氏体热强钢。该钢是由日本新日铁公司在T/P91（9Cr-1Mo-V-Nb）合金成分的基础上通过加入1.8％的W取代部分Mo，大大提高了固溶强化的效果，得到了NF616（T/P92，9Cr0.5Mo1.8WVNb），600℃的许用应力比T91高34％，可用作620℃以下的锅炉厚壁部件。该钢已正式被收录到ASME规范中的SA-213和SA-335标准中，其许用应力按规范案例（CODECASE）2179-3。该类钢目前由德国的V&M和日本的住友金属生产。2．E911(T/P911)E911是欧洲COST501开发的新钢种，最初是作为转子用钢设计的，后来在欧洲主要作为锅炉小管和厚壁部件材料进行开发，其成分与日本新日铁开发的NF616(T92/P92)类似，也是一种9%Cr的马氏体热强钢，是在P91基础上以1.0％W取代部分Mo，在ASME规范中提供的高温许用应力值略低于P92。该钢种已被收录到ASTMA213-03a和A335-03中，其牌号为T/P911。在现行的ASME2001版规范中该钢种以CODECASE2327的形式出现，正式进入规范材料。二、新型的奥氏体耐热钢1．Super304HSuper304H是基于已被广泛使用的、传统的奥氏体耐热钢TP304H（18Cr-8Ni）钢，应用多元合金强化理论、弥散强化理论等开发的一种新型的奥氏体钢，其公称成分为(0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N)。现已被列入了ASMECODECASE2328，并收录到美国材料与试验学会材料标准ASTMA213(03a版)中，UNS编号S30432；日本标准牌号SUS304J1HTB。该钢由日本Y.Sawaragi等人开发，日本住友金属株式会社将其工业化生产，在成分上的特征是：■为提高蠕变断裂强度增加了3%左右的Cu。即在蠕变中Cu富集相在奥氏体基体中微细分散共格析出，大幅度提高了材料的蠕变断裂强度；■通过复合加入Nb、N元素，达到进一步提高材料的高温强度和持久塑性。该钢在成分的设计上以典型的18Cr-8Ni作为基础，从经济性的角度出发，不用价格相对较高的W、Mo等元素，利用多元合金化原理，即显著提高了材料的高温蠕变断裂强度，又使其耐高温烟气腐蚀和高温蒸汽氧化与细晶粒TP347H（TP347HFG）大致相同。Super304H在650℃时的许用应力比TP304H高90%、比TP347H高48%、比TP347HFG高21%，而且比25Cr-20Ni类的TP310HCbN(HR3C)略高5%左右。由于Super304H在高温下具有较高的蠕变断裂强度和许用应力，因此该钢是表1中性能价格比最好的材料，采用这种钢管制造超超临界锅炉受压部件的经济性非常显著，同时可以使钢管壁厚减薄，钢耗量大大降低。该材料首次实际装机运行时间是1989年，由三菱重工株式会社与和歌山共同火力株式会社共同使用在锅炉的过热器和再热器上(参数19MPa，571/543℃)运行了6年，其中原町1号炉1997年投运至今已8年。高参数下的更长期的安全使用性能还需要实机考核。该钢的焊接性和冷热加工性与TP347H相当。另外，从1989年开始，哈尔滨锅炉厂有限责任公司、东方锅炉股份有限责任公司、上海锅炉厂有限责任公司、机械部发电设备服务中心与日本住友金属公司合作，对一些新型耐热钢进行了部分的性能复核及研究，针对的主要材料是T23(HCM2S)、T91/P91、HCM12A、Super304H。该钢种目前只有日本住友金属一家公司在生产，实用业绩也主要集中在日本本土或其设计的锅炉，三菱公司与哈锅合作的玉环、泰州、营口、阚山、河源工程超超临界锅炉上使用了该材料。2.HR3C(TP310HCbN)HR3C是一种结合了TP310H和TP310Cb的改进的25Cr-20Ni型奥氏体耐热钢，其公称成分为0.1C-25Cr-20Ni-Nb-N，现列入了ASMESA-213/SA-213M标准中，材料牌号TP310HCbN（UNSS31042），许用应力按ASMECODECASE2115-1。该材料由日本住友金属株式会社开发，由于在原TP310H的基础上添加了微量的Nb和N（Nb：0.20～0.60%，N：0.15～0.35%），使这种钢的高温许用应力在950℉（520℃）以上比TP310H有显著提高，在金属壁温为650℃时，该材料的高温蠕变强度为TP310H的2倍左右。由于具有高Cr、高Ni，因此抗高温蒸汽氧化、抗烟气腐蚀的性能比18Cr-8Ni或19Cr-11Ni要高出许多，是一种以高参数的超超临界锅炉过热器或再热器高温段部件为使用背景的材料。HR3C目前住友金属生产，但类似的25Cr级钢在日本有二、三家钢厂生产。以上六种材料的化学成分、常温力学性能、许用应力见表1～表4。表1奥氏体钢管的化学成分和力学性能材料牌号Super304HTP347HFGTP304HTP347HTP310HTP310HCbN(HR3C)UNS编号S30432--S30409S34709S31009S31042公称成分18Cr-9Ni-3Cu-Cb-N18Cr-10Ni-Cb18Cr-8Ni18Cr-10Ni-Cb25Cr-20Ni25Cr-20Ni-Cb-N材料标准SA-213CODECASE2328SA-213CODECASE2159-1SA-213SA-213SA-213SA-213CODECASE2115-1化学成分C0.07-0.130.06-0.100.04-0.100.04-0.100.04-0.100.04-0.10Si≤0.30≤0.75≤0.75≤0.75≤0.75≤0.75Mn≤0.50≤2.00≤2.00≤2.00≤2.00≤2.00P≤0.045≤0.040≤0.040≤0.040≤0.040≤0.030S≤0.030≤0.030≤0.030≤0.030≤0.030≤0.030Cr17.00-19.0017.00-22.0018.0-20.017.0-20.024.00-26.0024.00-26.00Ni7.50-10.509.00-13.08.00-11.009.00-13.0019.00-22.0017.00-23.00Nb0.20-0.600.20-0.60Ta+Nb0.20-0.80≥8×C～1.0≥8×C～1.0Cu2.50-3.50Al0.003-0.030N0.05-0.120.15-0.35B0.001-0.010室温力学性能抗拉强度Rmksi(MPa)≥80(550)≥80(550)≥75(515)≥75(515)≥75(515)≥95(655)屈服强度Rp0.2ksi(MPa)≥30(205)≥30(205)≥30(205)≥30(205)≥30(205)≥43(295)伸长率A50mm,%≥35≥35≥35≥35≥35≥30硬度≤192HB(90HRB)≤192HB(90HRB)≤192HB(90HRB)≤192HB(90HRB)≤192HB(90HRB)≤256HB(100HRB)表2奥氏体钢管的许用应力金属温度不超过°F许用应力值（ksi）Super304HTP347HFGTP304HTP347HTP310HTP310HCbN(HR3C)-20～10020.020.020202027.120020.020.020202026.930020.020.018.918.82025.440020.019.918.317.819.924.650019.419.317.517.119.324.260018.619.116.616.918.524.065018.319.016.216.818.223.970018.018.915.816.817.923.875017.718.815.516.817.723.780017.418.615.216.817.423.685017.218.314.916.817.223.490016.918.114.616.716.923.195016.717.914.316.616.722.8100016.417.71416.413.822.4105016.217.512.416.210.322.0110016.016.69.814.17.616.1115014.712.87.710.55.513.6120011.49.76.17.9410.112508.77.34.75.937.613006.55.43.74.42.25.713504.74.02.93.21.74.314003.32.32.51.314502.21.81.80.9715001.51.41.30.75（1）TP304H、TP347H和TP310H的许用应力摘自ASMESectionII-D篇；（2）Super304H、TP347HFG和TP310HCbN的许用应力摘自ASME规范案例（CODECASE）。051015202530100200300400500600700800900100011001200130014001500温度°F许用应力ksiSuper304HTP347HFGTP310HCbNTP304HTP347HTP310H图1几种奥氏体钢的许用应力表3铁素体钢管的化学成分和力学性能材料牌号T91/P91T92/P92(NF616)T911/P911（E911）T122/P122(HCM12A)公称成分9Cr-1Mo-V9Cr-2W9Cr-1Mo-1W-Cb12Cr-2W材料标准ASMESA-213ASMESA-335ASMESA-213ASMESA-335CODECASE2179-3ASTMA213ASTMA335CODECASE2327ASMESA-213ASMESA-335CODECASE2180-2化学成分C0.08-0.120.07-0.130.09-0.130.07-0.14Mn0.30-0.600.30-0.600.30-0.60≤0.70P≤0.020≤0.020≤0.020≤0.020S≤0.010≤0.010≤0.010≤0.010Si0.20-0.50≤0.500.10-0.50≤0.50Cr8.00-9.508.50-9.508.5-9.510.00-12.50Mo0.85-1.050.30-0.600.90-1.100.25-0.60V0.18-0.250.15-0.250.18-0.250.15-0.30W1.50-2.000.90-1.101.50-2.50Nb0.06-0.100.04-0.090.060-0.1000.04-0.10B0.001-0.0060.0003-0.006≤0.005N0.030-0.0700.030-0.0700.040-0.0900.040-0.100Ni≤0.40≤0.40≤0.40≤0.50Al≤0.040