超超临界机组参数与锅炉用钢材

超超临界火电机组蒸汽参数与锅炉用钢材朱宝田范长信束国刚周荣灿西安热工研究院苏州热工研究院超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第一次论坛大会2005年3月1.前言新型钢材的研发和应用是超超临界机组开发应用的基础分析研究超超临界机组蒸汽参数和锅炉关键部件选用钢材及其经验，对我国超超临界机组的设计、制造和安全稳定运行有着重要的意义2.超超临界锅炉对钢材性能的要求热强度高抗高温烟气氧化腐蚀抗高温汽水介质腐蚀可焊性和工艺性良好超超临界锅炉关键部件材料要求与选择水冷壁高温管道与联箱末级过热器、再热器高温强度性能烟气侧的腐蚀性能汽水侧的氧化性能制造、加工、热处理、异种材料焊接等工艺性能对钢材性能的要求：满足部件工作温度的需要具有高的持久强度、蠕变强度或抗松弛性能，金相组织稳定，无常温脆性和长期时效脆性抗蒸汽氧化、烟气腐蚀及应力腐蚀易于冷、热加工异钟钢焊接工艺能保证其应有的性能相对低的材料价格超超临界锅炉用钢分为两大类：铁素体钢（包括珠光体、贝氏体和马氏体及其两相钢）奥氏体钢奥氏体钢比铁素体钢具有更高的热强性，但膨胀系数大、导热性能差、抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳（特别是厚壁件）性能也比不上铁素体钢，且成本高3.超超临界锅炉用钢材的发展历程和研发计划3.1发展历程超临界机组和超超临界机组是20世纪50年代同时开发的20世纪50、60年代超超临界机组投运后出现了部件损伤事故美国Eddystone电厂1#超超临界锅炉----发生奥氏体钢17－14CuMo过热器管高温腐蚀，316H奥氏体钢管因出现裂纹和焊接不良等原因损坏或爆管，过热器出口集箱、主蒸汽管调节阀和截止阀出现疲劳裂纹1956年德国投运的超超临界机组----也出现奥氏体钢制部件损伤事故80年代末日本生产的一台34MPa/650℃、500MW试验超超临界机组----曾出现奥氏体钢高压转子热裂纹等问题3.1发展历程有关的分析报告认为超超临界机组不存在原则性的设计和制造技术问题，而是对材料技术认识不足，过分依赖于奥氏体钢，使蒸汽参数在24.1MPa、538℃--566℃停留了20多年80年代由于低铬耐热钢和改良型9％～12％Cr铁素体型钢的研制及成功应用，发展了蒸汽参数593℃以上的超超临界技术，促进超超临界机组的发展，并降低了超超临界机组锅炉的造价目前这些新型钢已在欧洲及日本数十个电厂得到应用，主蒸汽温度已达610℃3.2研发计划COST501∕COST522——欧共体开发高效低耗火力发电设备材料的规划COST501系列和COST522系列——综合了欧洲16个国家70个组织的试验、制造资料而筛选出来的COST501——开发9%～12%Cr钢材系列，已用于生产28.5MPa/580℃∕580℃∕580℃超超临界机组，试制30MPa、580℃∕600℃机组COST522材料——作为30MPa/620℃∕650℃机组的目标材料3.2研发计划COST501/COST522各包含若干钢号以X10CrMoVNbN91（P91）为基础发展出CT（G－X12CrMoWVNbN1011）钢，蠕变试验已大于60000小时以X7CrCoMoVNb116（FV535）为基础发展出CB2钢，蠕变试验已大于30000小时在CB2钢基础上添加W、B，使钢的热强性显著提高对有希望作为铸件材料的钢CB2、CD2等进行了600℃和650℃的热强性能试验已完成生产试验发展的锻件用钢命名为FB系列，以及超低碳的VNI（0.03%C,含W无B）钢3.2研发计划9%～12%Cr钢将用于制造参数为610℃，30MPa的设备，其温度参数有望提高到630℃COST501系列和COST522系列新开发的材料，机械性能重现性好，已取得比较成熟使用经验今后将把COST522的铁素体－马氏体钢种用于650℃火力发电设备4.超超临界机组蒸汽参数和锅炉用钢分析4.1超超临界机组蒸汽参数和锅炉用钢欧美日等超临界及超超临界机组锅炉用钢基本上处于同一档次，只是同一钢种各国牌号表达方式不同表1超临界及超超临界锅炉关键部件工作温度与所用钢材500℃550℃580℃600℃625℃650℃700℃过热器12XMφT2210CrMo910T91T911X18H12TTP304HTP347H12X11B2MφT91TP304HTP347HTP316HSuper304HSuper304HTP347HFGTP304H复合管复合管TP347HSUS347HTB0X18H12Б再热器12X1MφT2210CrMo910T911X18H12TTP304HTP347H10CrMo910T911X18H12TTP304HTP316HTP347HSuper304HSUS310JITBSuper304HTP347HFGT91复合管TP304H复合管TP347H0X18H12Б500℃550℃580℃600℃625℃650℃700℃集箱、导管15XMWB3613CrMo44P1212X1MφP2210CrMo910P91P91P91P92P911HCM12AP92P911HCM12ANF12SAVE12水冷壁13CrMo4415XMT1212X1MφT23T24表1超临界及超超临界锅炉关键部件工作温度与所用钢材联箱与管道水冷壁选用强度更高的材料可以使壁厚减薄提高机组启停灵活性4.2超超临界机组锅炉用钢分析（1）低铬耐热钢1.25％Cr-0.5%Mo(SA213T11)2.25Cr-1Mo(SA213T22/P22)1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)9％～12％Cr系的Cr-MoCr-Mo-V钢(法国EM12、德国X20、瑞典HT9、日本HCM9M、美国SA213T9等)其允许主汽温度为538℃～566℃（2）改良型9％～12％Cr铁素体－马氏体钢9Cr-1Mo（SA335，T91/P91）NF616HCM12ATB9TB12等一般用于566℃～593℃的蒸汽温度范围，允许主汽温度610℃，再热汽温度625℃；壁温：锅炉625℃～650℃，汽机：600℃～620℃（2）改良型9％～12％Cr铁素体－马氏体钢9Cr-1Mo钢60年代起应用80年代美国在此基础上开发出T91钢，用于制造锅炉过热器、再热器并投入运行同钢种大口径管牌号为P91，用于制造集箱和管道日本和欧洲对T91钢又加以改良，使其具有更高的蠕变断裂强度、断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性和可焊性改进型的T91钢，提高了使用温度，可用于600℃～650℃；由于其强度的提高，可减少管壁厚度。其综合性能使T91和P91钢成为主蒸汽温度由566℃过渡至600℃的关键材料，可部份替代TP304H制造过热器与再热器管,有明显的经济效益NF616是改良型钢种之一，具有更高的高温强度，并具备T91的特性（2）改良型9％～12％Cr铁素体－马氏体钢HCM12A是比较成功的改良型12%Cr钢之一具有高的持久强度，600℃的许用应力是T91/P91钢的1.3倍比奥氏体钢导热性高，膨胀系数小，可以减轻热疲劳损伤具有双相组织，焊接与加工性能都较好，可用作受热面管和大口径管钢CSiMnNiCrMoWVNbB其它9Cr1Mo0.100.500.409.01.0N0.02Mod9Cr1Mo0.100.350.450.209.01.00.210.08N0.05NF616(SA213-T92,SA355-P92)0.070.060.459.00.051.800.200.050.04N0.06TB90.080.050.500.109.00.501.800.200.05N0.05TB120.080.050.500.1012.00.501.800.200.050.03N0.05HCM12A(SA213-T122,SA335-P122)0.100.050.640.3212.00.402.000.210.06Cu1N0.06表2改良型9%～12%Cr钢化学成分（%）105小时持久强度600℃650℃Mod9Cr1Mo3920改良9Cr1Mo9849NF61613272TB919698TB12206108HCM12A12864TP304H9766表3改进型9%～12%Cr钢持久强度（MPa）（3）新型奥氏体耐热钢18Cr-8Ni系：如在SA213TP304H、TP347H基础上发展的TP347HFG、Super304H、TempaloyA-1等20-25Cr系：如HR3C、NF709、TempaloyA-3等使用壁温650℃～750℃，可用于汽温高达600℃的过热器与再热器，有足够的蠕变断裂强度和很好的抗高温腐蚀性能例如，丹麦蒸汽参数为29MPa/582℃/580℃/580℃的超超临界机组锅炉材料为：蒸发受热面13CrMo44，过热器和再热器管SA213TP347H，过热器和再热器管集箱P91或P92（3）新型奥氏体耐热钢超级304H——在TP304H基础上调整化学成分，研究出Super304H高的持久强度，600℃～700℃许用应力比TP347H高25%良好的组织稳定性抗蒸汽氧化性与TP347H相当可焊性好，裂纹敏感性低于TP347H，时效后塑性较高（B含量不得超过0.12%，否则影响持久塑性）（3）新型奥氏体耐热钢细晶粒TP347H钢是对传统的金属学理论的突破与同钢种粗晶粒钢相比提高了耐蒸汽腐蚀性能许用应力也提高20%细晶粒钢需经过两次高温处理：（a）软化处理：加热到1250℃或1300℃（b）固溶处理：加热到1200℃细晶粒组织能加快Cr通过晶界的扩散迁移，并与氧形成一层细密的富Cr氧化层（Cr2O3），从而防止蒸汽氧化钢CSiMnNiCrMoVNbTIB其它SUS304HTB0.080.601.608.018.0————————————Super304H0.100.300.809.018.0————0.40——Cu3N0.1TempaloyA-10.120.601.6010.018.0————0.100.08————17-14CuMo0.120.500.7014.016.02.0——0.400.300.006Cu3Esshete12500.120.506.0010.015.01.00.201.0——0.006——SUS310HTB0.080.601.6020.025.0————————————NF7090.150.501.0025.020.01.5——0.200.1————HR3C0.060.401.2020.025.0————0.45————N0.2NF7070.080.501.0035.022.01.5——0.200.1————Mod800H0.080.400.8034.022.01.25——0.40——————TempaloyA-30.050.41.5015.022.0————0.70——0.20——表4奥氏体钢化学成分（%）部分奥氏体钢的许用应力TP304HTP347HTP347HFGSuper304HR3C550℃92MPa112MPa121MPa[112]/128MPa*153MPa600℃64MPa91MPa108MPa[108]/121MPa*107MPa650℃42MPa54MPa66MPa[78]/78MPa*69MPa(4)复合管和表面喷涂复合管和表面喷涂含Cr或陶瓷的材料用于更高工作温度的过热器、再热器复合管是两种材料套在一起的钢管内层钢管满足强度要求外层钢管（厚1mm～2mm）满足抗腐蚀要求在现有高强度的耐热钢（含Cr不超过18%）外面套一圈25%～50%Cr的高铬钢，可提高高温下的抗蚀性，满足锅炉金属温度700℃～750℃的需要（5）有缝管（卷板焊接管）有缝管（卷板焊接管）在国外已得到广泛应用水冷壁、省煤器及低温过热器等部件的小口径管钢管直径超过热轧、热扩轧机生产能力的集箱和蒸汽导管试验及运行表明，焊接管在内外表面质量与公差等方面优