电站用钢及失效分析.

电站用钢及失效分析第一部分火力发电厂用钢第二部分火电厂用钢的分类第三部分火电厂用钢的牌号表示方法第四部分火电厂用钢的基本性能第五部分火电厂过热器、再热器金属材料高温氧化第六部分锅炉管子常见事故分析及预防第七部分失效案例第一部分：火力发电厂用钢1、我国火电站用钢的现状及展望锅炉部件的工作条件高温：450℃→510℃→540℃→568℃→700℃（超超临界机组）高压：10MPa→(14～16)MPa(超高压)→(17～21)MPa(亚临界)→(24～27)MPa(超临界)→(30)MPa（超超临界机组）高温氧化、高温腐蚀、热循环、长期运行火力发电厂用钢的发展与电站锅炉、燃气轮机等工业技术的进步密切相关。电站用钢的开发需要很长的周期，建国以来我国电站高温高压管用钢材大多沿用国外成熟钢种,国内外实践证明12Cr1MoV、2.25Cr-Mo、TP304、TP347等钢工艺性能良好、运行可靠。但为了提高蒸汽温度和压力，20世纪60年代以后各国（也包括我国）纷纷致力于开发使用温度高于580℃低于650℃的钢种，其成果虽然已有不少应用，但都有些缺憾。1983年美国ORNL在花了8年时间对9Cr1Mo钢进行了改进后，推出的T91/P91钢具有优良的常温和610℃以下高温力学性能的同时，还具有良好的加工工艺性能。对材料的要求•高的高温强度：拉伸、蠕变、持久强度、持久塑性、疲劳•高的抗氧化腐蚀性•高的组织稳定性•良好的工艺性能：热、冷加工性能及焊接性能材料的种类火电厂用主/再热蒸汽管道、高温联箱和高温过热器/再热器管材合金钢基本可分三大类(1)低合金耐热钢：（主要用于高温高压机组）•12MoCr、15MoCr、•10CrMo910（2.25Cr-1Mo）、12Cr1MoV、•15Cr1Mo1V(2)马氏体耐热钢：（9～12）％Cr系列（主要用于超临界、超超临界机组）●9Cr1-Mo系列•T91／P91•T92/P92（NF616，日本）•E911（COST“B”，欧洲）●12Cr系列•X20CrMoV121（F12）第一代12Cr钢•X20CrMoWV121（F11）•12Cr1Mo1WVNb（HCM12）第二代12Cr钢•HCM12A（T／P122）•12Cr0.5Mo1.8WVNb(TB12)第三代12Cr钢•11CrWVNbCoBN(NF12)•11CrWCoVNbTaNdN(SAVE12)第四代12Cr钢(3)奥氏体耐热钢：Cr18-Ni8（主要用于超临界、超超临界锅炉）•TP304H、TP321H、TP316H、TP347H、TP347HFG、Super304H、HR3C（25Cr-20Ni-Nb-N）马氏体新型耐热钢马氏体耐热钢为（9～12）％Cr类钢，其发展过程见下图（9～12）％Cr类钢的发展过程马氏体耐热钢常用材料的牌号见下表。钢号及技术条件类似钢号X20CrMoV121（F12）HT9（SANDVIK）；X20CrMoWV121（DIN）1X12B2MΦ、2X12MΦBP（ГOCT）1Cr9Mo1T9、P9（ASME）；STBA26、STPA26(JIS)；X12CrMo91(德国)；HT7（SANDVIK）1Cr9Mo2（HCM9M）日本三菱重工和住友株式会社研制1Mn17Cr7Mo-VNbBZr（17-7MoV）（T91、P91）／10Cr9Mo1VNb（GB5310）X10CrMoVNb91（DIN17175）；TUZ10CDVNb09.01（NFA-49213）T92/P92（ASME、ASTM）NF616（日本）E911（COST“B”）欧洲HCM12A（T／P122日本三菱重工和住友株式会社研制可以说T91/P91钢的开发成功是电站用钢领域内近30年努力的突破。我国于1987年开始引进使用这种钢，目前已经基本掌握了T91/P91钢的焊接工艺，同时也开展了T91与钢102、12Cr1MoV、TP304钢异种钢焊接的研究工作。用T91更换钢102制成的过热器和高温再热器运行的可靠度明显提高。用P91制成的蒸汽管其管壁厚度可成倍地减小，表1比较了在同样蒸汽参数下分别使用2.25CrMo钢和P91钢时钢管的壁厚。壁厚的减小降低了构件的重量，减小了结构应力和热应力，也减小了制造成本和施工难度。表12.25Cr-Mo、P91钢经济性比较钢种550℃下的许用应力/MPa钢管尺寸/mm重量/kg.m-1重量比率(%)价格率(%)成本率(%)2.25Cr-Mo48270×83.7730100100100P9194270×37.12813819072表2大口径钢管的经济性比较钢种550℃下的许用应力/MPa钢管尺寸/mm重量/kg.m-1重量比率(%)价格率(%)成本率(%)2.25Cr-Mo48270×83.7730100100100P2389270×39.4301301167167P92104270×33.141416868X2085270×41.5247247500500P122108270×31.83434170170随着T91/P91钢在世界范围内日益推广应用，沿着美国ORNL开发T91/P91钢的思路在原来钢102、2.25Cr-Mo、X20、TP304等钢的基础上又相继开发出了T122/P122(HCM12A),T92/P92(NF616)和T91/P91一系列钢种。使用P122、P92和P23钢的经济效益见表2。这些钢相对于2.25Cr-Mo和X20的明显优势是显然的。它们已在日本的一些电厂使用，我国也会在不久的将来陆续引进使用。T/P91钢介绍•9Cr－1Mo钢的发展历程•T／P91钢的合金化特点•高的Cr量和少量Al的加入，大大的提高了钢的抗氧化能力和热稳定性；•高的合金元素含量（Cr、Mo、Mn）增加了固溶强化的能力；•少量N的加入，使钢的第二相增加，不仅有碳化物，还有氮化物等，增加了沉淀强化的能力；•强碳化物元素Nb的加入，在钢中形成复合碳化物Nb（C、N）；•低的P、S含量，使钢的晶界净化，提高了晶界强度。推荐的T／P91钢管的热处理工艺ASTMA213－335法国Vallourec作用正火回火≥1040℃≥730℃1040℃～1090℃780℃±15℃≥1h大多数碳化物充分溶解而无晶粒长大细小的碳化物在马氏体结构中均匀沉淀T／P91钢的热处理及微观组织特点下表为美国ASTM和法国Vallourec推荐的T／P91钢管的热处理工艺。回火马氏体结构＋大量细小的M23C6型碳化物沉淀相V(C、N)、Nb（C、N），大量的位错密度提高了钢的持久强度。•T91／P91钢的力学性能P91与有关钢材室温力学性能的比较P91钢焊接接头特性（a)冲击韧性：焊缝＜熔合线区＜热影响区。各国有关公司对P91钢的焊接接头的冲击性能要求见表各国有关公司对P91钢的焊接接头的冲击性能要求国别或公司抗拉强度Rm（MPa）冲击功Ak（J）美国ONRL（橡树岭国家试验室）600～64081～122美国ASME第3卷≥68日本神户钢铁公司585～760≥68欧洲BSEN599≥47德国DIN3252540～50德国曼内斯曼≥68法国瓦鲁瑞克≥68国家电力公司部门文件电源质［2002］100号《关于颁布“T91/P91钢焊接工艺导则”的通知》≥41（b)冲击韧性与硬度的关系（见表1）（c)硬度与断裂韧性的关系（焊缝）（见表2）表1冲击韧性与硬度的关系母材焊缝熔合线区热影响区HBAk（J）HBAk（J）HBAk（J）HBAk（J）21716420494911171991309212019018091852161662801818222143319172209810190表2焊缝硬度与断裂韧性的关系硬度HBδ0.05（mm）δ0.2（mm）δUmin（mm）δUp（mm）2040.1860.322——280——0.0150.02（d)提高焊缝韧性的措施·采取有效的充氩措施。·严格的预热措施。预热温度为150～200℃·严格控制线能量。小的线能量可有效地减少碳化物的析出量和铁素体含量，防止马氏体晶粒长大，提高焊缝的击韧性。·合理的布置垂直焊道与水平焊道。P91焊缝的冲击值也受到焊道类型的影响，线状焊道比棒状焊道的冲击值高T/P92钢介绍•T／P92钢的合金化特点T/P92是在T91／P91钢的基础上，通过添加W，降低Mo含量以调整铁素体与奥氏体形成元素的平衡，辅之以B的微合金化，C含量的降低可提高组织稳定性，保证最佳的加工性能。•T/P92钢的纳标——1995年列入ASTMA213、ASTMA335和ASMESA335——1996年列入ASMESA213和ASMESA335•T／P92钢的热处理及微观组织特点下表为ASTM和V&M公司推荐的钢管热处理工艺。钢显微组织为回火马氏体。ASTMA213/ASTMA335V&M公司作用正火≥1040℃1040℃～1080℃可使大多数碳化物溶解而晶粒并不长大。回火≥730℃750℃～780℃（≥1h）使碳化物在马氏体中均匀析出,获得最佳的强韧性配合。推荐的T／P92钢管的热处理工艺注：厚壁管必须加速冷却或淬火处理•T／P92钢的力学性能标准材料RP0.2RmδHBA213—A335P22≥205≥415≥30≤163T22≥220A213—A335T／P92≥440≥620≥20≤250A213—A312TP347H≥205≥515≥35≤192注：延伸率为标距2″的试样。T／P92钢与有关钢材室温力学性能的比较•T／P92钢的力学性能T／P92钢的屈服强度与温度的关系T／P92钢的抗拉强度与温度的关系P92钢焊接接头特性P92钢焊接接头的拉伸、冲击性能E911钢介绍E911钢的合金化特点钢中的主要元素除Cr外还有C、N、V和W。少量Nb元素（0.1%）的加入有助于在1150℃以下正火获得细小的原奥氏体晶粒尺寸，从而提高韧性。但是Nb的加入又导致焊接接头的韧性降低。•E911钢的热处理及微观组织特点（a）热处理制度为1060℃～1100℃正火和760℃回火。由于对于E911钢制造的锅炉部件的去应力和焊后热处理温度通常约为750℃，所以没有考虑更低的温度回火。（b）微观组织特点回火马氏体组织很明显：马氏体板条和高的残余位错密度。金相观测表明，E911钢在1060℃正火和760℃回火处理之后形成的的回火马氏体组织处于亚稳态。在试验温度为600℃～650℃时，变化发生的非常缓慢。E911钢的力学性能E911屈服强度的最小值和持久强度的平均值•E911钢焊接接头特性目前已经确定了一种最佳焊缝金属成分，可使焊缝在初期具有与母材相当的韧性和高温强度。但是，随着试验时间的增加，在单轴试验里出现接头强度降低的现象，预测比母材的强度降低约30%，失效发生在热影响区的Ⅳ型区。然而，它远没有首次出现时那么重要，这是因为在锅炉制造和运行时，应力主要是周向分布的，其轴向应力约是周向应力的50%。如果设计主要考虑蠕变，一般避免采用纵向焊缝。E911钢焊缝金属的成分P122钢介绍•P122钢合金化特点P122钢可以用于大口径厚壁管。考虑到抗蚀性，与P91钢相比，此钢的Cr含量更高。P122钢卓越的持久强度是由于用W代替部分Mo并添加少量B。C是抑制δ-铁素体形成的有效元素，为提高可焊性降低了C含量。为保证大口径厚壁管的韧性，将Cr当量控制在9%以下来控制δ-铁素体的形成。通过添加Cu来降低Cr当量。对于小径管，为有效提高抗热蚀性增加了Cr含量，使钢中含有微量δ-铁素体。P122钢（HCM12A）介绍•P122钢的热处理及微观组织特点（a）热处理特点住友金属公司生产的规格为Φ350×50mmP122无缝管材。热处理：正火1050℃/1h/空冷和770℃/3h回火。（b）微观组织特点在供货状态下，材料为回火马氏体，仅有少量的δ－铁素体。回火马氏体组织在经过蠕变作用后预期的变化为：位错密度降低以及亚晶长大•P122钢的力学性能P122钢600℃时的许用应力值比T91高1.3倍。P122钢的冲击值随时效温度和时间的增加而降低。