超臨界、超超臨界鍋爐用鋼

1、超臨界、超超臨界鍋爐用鋼楊富1，李為民2，任永寧2 （1. 中國電力企業(yè)聯(lián)合會，北京100761；2. 北京電力建設(shè)公司 北京 100024摘要： 提高火力發(fā)電廠效率的主要途徑是提高蒸汽的參數(shù)即提高蒸汽的壓力和溫度，而提高蒸汽參數(shù)的關(guān)鍵有賴于金屬材料的發(fā)展。從發(fā)展超臨界、超超臨界機組與發(fā)展新鋼種的關(guān)系以及超臨界、超超臨界鍋爐對鋼材的要求，概述了火電鍋爐用鋼的發(fā)展歷程以及部分新鋼種的性能。關(guān)鍵詞： 臨界、超超臨界；鍋爐；材料 2020年全國裝機容量將達到9.5億kW，其中火電裝機仍然占70%，即今后17年將投產(chǎn)4.0億kW左右的火電機組?；痣娊ㄔO(shè)將主要是發(fā)展高效率高參數(shù)的超臨界（SC）和超超臨界

2、（USC）火電機組。從目前世界火力發(fā)電技術(shù)水平看，提高火力發(fā)電廠效率的主要途徑是提高蒸汽的參數(shù)，即提高蒸汽的壓力和溫度。發(fā)展超臨界和超超臨界火電機組，提高蒸汽的參數(shù)對于提高火力發(fā)電 廠效率的作用是十分明顯的。表1給出了蒸汽參數(shù)與火電廠效率、供電煤耗關(guān)系1。 表1蒸汽參數(shù)與火電廠效率、供電煤耗關(guān)系 機組類型蒸汽壓力/Mpa蒸汽溫度/電廠效率/供電煤耗*/kW·h中壓機組3.543527460高壓機組9.051033390超高壓機組13.0535/53535360亞臨界機組17.0540/54038324超臨界機組25.5567/56741300高溫超臨界機組25.0600/600442

3、78超超臨界機組30.0600/600/60048256高溫超超臨界機組30.070057215超700機組超70060205* 供電煤耗用標(biāo)煤量統(tǒng)計，標(biāo)煤量是一個統(tǒng)計折算標(biāo)準(zhǔn)，1千克標(biāo)煤的發(fā)熱量為7 000大卡。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著蒸汽溫度和壓力的提高，電廠的效率在大幅度提高，供電煤 耗大幅度下降，而提高蒸汽參數(shù)遇到的主要技術(shù)難題是金屬材料耐高溫、高壓問題。1承壓鍋爐部件對鋼材的要求 火電廠鍋爐關(guān)鍵承壓部件主要指水冷壁、過熱器、再熱器、聯(lián)箱及管道等，這些承壓部件運行在較為惡劣的工況條件下，是設(shè)計選用鋼材關(guān)注的重要部位。以下分類簡要介紹超臨界、超 超臨界鍋爐的關(guān)鍵承壓部件用鋼要求。1.

4、1水冷壁水冷壁用鋼一般應(yīng)具有一定的室溫和高溫強度，良好的抗疲勞、抗煙氣腐蝕、耐磨損性能，并要有好的工藝性能，尤其是焊接性能。通常SC、USC鍋爐都采用膜式水冷壁。由于膜式水冷壁組件尺寸及結(jié)構(gòu)的特點，其焊后不可能在爐內(nèi)進行熱處理，故所選用的鋼材的焊接性至關(guān)重要。要在焊前不預(yù)熱、焊后不熱處理的條件下，滿足焊后熱影響區(qū)硬度不大于360HV10、焊縫硬度不大于400HV10的有關(guān)規(guī)定（TRD201），以保證使用的安全性。另外，水冷壁管內(nèi)介質(zhì)是汽液兩相，管外壁又在爐膛燃燒時煤粉顆粒運動速度最快的區(qū)域，積垢導(dǎo)致的管壁溫度升高和燃燒顆粒沖刷都是選用鋼材要考慮的問題。由此可見，水冷壁用鋼的開發(fā)也是發(fā)展SC、U

5、SC鍋爐的技術(shù)關(guān)鍵之一。隨著SC、USC鍋爐蒸汽壓力、溫度的升高，水冷壁溫度將提高，如在31 MPa/620的蒸汽參數(shù)下出口端的汽水溫度達475，投運初期中墻溫度為497，垢層增后可升至513，熱負荷最高區(qū)域的管子壁溫可達520，瞬間最高溫可達540。這就需要合金含量更高，熱強性更好的鋼材。為了滿足這種高參數(shù)鍋爐水冷壁用鋼的要求，在SA213T22鋼的基礎(chǔ)上，開發(fā)了2種新鋼材T23（HCM2S）和T24（7CrMoVTiB10-10），二者都具有良好的焊接性，在焊前不預(yù)熱焊后不熱處理的條件下（壁厚8mm），焊后焊縫和熱影響區(qū)的硬度均低于360HV10。金屬壁溫可達600，是蒸汽溫度620以下鍋

6、爐水冷壁的最佳用鋼2。1.2過熱器、再熱器過熱器、再熱器在高參數(shù)鍋爐中所處的環(huán)境條件最惡劣，所用鋼材在滿足持久強度、蠕變強度要求的同時，還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕及抗飛灰沖蝕性能、管子內(nèi)壁抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷熱加工工藝性能和焊接性能。過熱器、再熱器管的金屬壁溫比蒸汽溫度高出2539（我國規(guī)定為50）。在燃煤含硫量很低、煙氣腐蝕性很小的條件下，從蠕變強度角度考慮，SC、USC鍋爐的過熱器、再熱器，當(dāng)壁溫600時，可選用T91鋼；當(dāng)壁溫620時，可選用T92、T122、E911鋼；當(dāng)壁溫650時，可選用NF12、SAVE12鋼。采用含硫量高腐蝕性大的燃煤時，當(dāng)壁溫600時（蒸汽溫度），過

7、熱器、再熱器應(yīng)選擇TP304H、TP321H、TP316H、TP347H奧氏體熱強鋼。而Super304H和TP347HFG兩種細晶奧氏體熱強鋼蠕變強度高，抗煙氣腐蝕和抗蒸汽氧化性能更好，在超超臨界鍋爐過熱器、再熱器用鋼中得到廣泛的應(yīng)用。當(dāng)壁溫達700時，過熱器、再熱器只能選用高鉻熱強鋼NF709、SAVE25和HR3C等。1.3聯(lián)箱與管道由于聯(lián)箱（末級過熱器、末級再熱器出口聯(lián)箱）與管道（主蒸汽管道、導(dǎo)汽和再熱蒸汽管道）布置在爐外，沒有煙氣加熱及腐蝕問題，管壁溫度與蒸汽溫度相近。這就要求鋼材應(yīng)具有足夠高的持久強度、蠕變強度、抗疲勞和抗蒸汽氧化性能，還要具有良好的加工工藝和焊接性能。由于鐵素體熱

8、強鋼的熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率高，在較高的啟停速率下，不會造成聯(lián)箱、管道壁部件嚴重的熱疲勞損壞，所以鐵素體熱強鋼是聯(lián)箱、管道的首選鋼材。隨著SC、USC鍋爐蒸汽溫度和壓力參數(shù)的提高，要求使用熱強性高的鋼材，這樣既可以提高聯(lián)箱和管道運行的安全性，又可以減少因管壁過厚引起熱應(yīng)力的增加以及給加工工藝帶來的困難。所以，SC、USC鍋爐的聯(lián)箱和管道，當(dāng)壁溫600時，選用P91鋼；當(dāng)壁溫620時，選用P92、P122和E911鋼；當(dāng)壁溫650時，選用NF12和SAVE12鋼。2鍋爐用鋼的發(fā)展歷程 要提高大型火電機組的效率，要發(fā)展SC、USC火電機組，就必然要促進大機組用鋼的研究和開發(fā)，電力技術(shù)的發(fā)展，在很大程

9、度上取決材料技術(shù)的發(fā)展。提高鍋爐蒸汽溫度比提高鍋爐蒸汽壓力對機組效率的影響更為顯著。若鍋爐蒸汽溫度參數(shù)不提高，依靠提高鍋爐壓力參數(shù)提高機組效率，就意味著必然要選用高溫持久強度和允許使用溫度較低的熱強鋼，如：12Cr1MoV、10CrMo910、15Cr1Mo1V等，當(dāng)鍋爐壓力參數(shù)從140 kgcm2提高到170 kg/cm2乃至260 kgcm2時，就必須使管道的壁厚大大增厚，石洞口二廠超臨界600 MW（T=538/566，P=25.4 MPa）主汽管選用P22，管子規(guī)格為654mm×136.5 mm。由于管道壁厚的增加，焊接、熱處理、彎管、探傷等工藝都增加了更多的困難，比如：必須

10、嚴格控制焊接線能量、采用多層多道焊、中間熱處理、二次（甚至三次）探傷、熱處理升降溫速度的控制等等。同時還會因管壁過厚引起熱應(yīng)力增加，導(dǎo)至管道的熱疲勞損傷。此外，當(dāng)選用大壁厚管道時，管道和保溫材料的重量大幅增加，從管系、支吊架到廠房架構(gòu)強 度與剛度都是設(shè)計部門要特別考慮的問題。就目前世界各國發(fā)展情況看，鍋爐用鋼的發(fā)展可以分為兩個方向，一是鐵素體熱強鋼的發(fā)展，另一是奧氏體鋼的發(fā)展。2.1鐵素體鋼鐵素體鋼的發(fā)展可以分為兩條主線，一是縱向的主要耐熱合金元素Cr成分逐漸提高，從2.25Cr到12Cr；二是橫向的通過填加V、Nb、Mo、o等合金元素， 105 h的蠕變斷裂強度由35 MPa級向60、100

11、、140、180 MPa級發(fā)展。圖1給出了鍋爐鐵 素體熱強鋼的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。2.1.1低合金熱強鋼20世紀(jì)50年代，電站鍋爐鋼管大多采用珠光體低合金熱強鋼，其含Cr3，含Mo1%、其典型鋼種及最高使用壁溫為：15Mo530；12CrMo540；15CrMo540；12Cr1MoV580；15Cr1Mo1V580；10CrMo910580。當(dāng)壁溫超過580時，一般都使用奧氏體熱強鋼TP304、TP347（700），然而由于其價格昂貴、導(dǎo)熱系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)大、應(yīng)力腐蝕裂紋傾向等問題存在，不可能被大量采用，故世界各國從20世紀(jì)60年代初開始進行了長達30多年的試驗研究，開發(fā)適用于溫度參數(shù)為580

12、650范圍內(nèi)的鍋爐用熱強鋼，即改進型的9Cr-1Mo鋼和12Cr鋼的研究。而 當(dāng)壁溫超過650時，目前還只能選用奧氏體熱強鋼。2.1.2EM12鋼的開發(fā)20世紀(jì)50年代末，比利時Liege冶金研究中心研究了超級9Cr鋼，其化學(xué)成分為9Cr-2Mo，并添加了Nb、V等合金元素，材料牌號為EM12。法國瓦魯瑞克公司生產(chǎn)出EM12的過熱器管。1964年，法國電力公司批準(zhǔn)EM12鋼管可用于620的過熱器和再熱器，代替過去使用的不銹鋼管。但是，由于該鋼種是二元結(jié)構(gòu)，沖擊韌性差，后來未得到廣泛應(yīng)用。部分鍋爐用鐵素體鋼的化學(xué)成分見表2。 圖1鍋爐的鐵素體鋼的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 表2部分鍋爐用鐵素體鋼的化學(xué)成分

13、鋼號  標(biāo)準(zhǔn) 化學(xué)成分/% ASME JIS C Si Mn Cr Mo W Co V Nb B N Others 2Cr T22(2.25Cr-1Mo) T22 STBA24 0.12 0.3 0.45 2.25 1.0 - - - - - - - HCM2S(2.25Cr-1.6WVNb) T23  STBA24J1 0.06 0.2 0.45  2.25 0.1  1.6 - 0.25 0.05 0.003 - - 9Cr T9(9Cr-1Mo) T9 STBA26 0.12 0.6 0.45  9.0  1.0 - - - -

14、 - - - HCM9M(9Cr-2Mo) -  STBA27 0.07 0.3 0.45  9.0  2.0 - - - - - - - T91(9Cr-1MoVNb) T91 STBA28 0.10 0.4 0.45 9.0 1.0 - - 0.20 0.08 - 0.05 - NF616(9Cr-0.5Mo-2WVNb)  T92  STBA29 0.07 0.06 0.45  9.0 0.5  1.8 - 0.20 0.05 0.004 0.06 - Tempa1oy F-9(9Cr-1MoVNb) - - 0.06

15、 0.5 0.60  9.0  1.0 - - 0.25 0.40 0.005 - - EM12(9Cr-2MoVNb)  NFA49213 - 0.10 0.4 0.10  9.0  2.0 - - 0.30 0.40 - - - 12Cr  HT91(12Cr-1MoV)  DIN X20CrMoV121 - 0.20 0.4 0.60  12.0  1.0- - 0.25 - - - 0.5Ni  HT9(12Cr-1MoWV)  DIN X20CrMoWV121 - 0.20

16、0.4 0.60  12.0  1.0 0.5 - 0.25 - - - 0.5Ni  HCM12(12Cr-1Mo-1WVNb) -  SUS410J2TB 0.10 0.3 0.55  12.0  1.0  1.0 - 0.25 0.05 - 0.03 -  HCM12A(12Cr-0.4Mo-2WCu-VNb)T122  SUS410J3TB 0.11 0.1 0.60  12.0 0.4  2.0 - 0.20 0.05 0.003 0.06  1.0Cu  

17、;NF12(11Cr-2.6W-2.5CoVNbB) - 0.08 0.2 0.50  11.0 0.2  2.6  2.5 0.20 0.07 0.004 0.05 - SAVE12(11Cr-3W- 3CoVNb-TaNdN) - 0.10 0.3 0.20  11.0 -  3.0  3.0 0.20 0.07 - 0.04 0.07Ta0.04Nd2.1.3鋼102的開發(fā)20世紀(jì)60年代起，中國按原蘇聯(lián)的耐熱鋼系列研究出了鋼102（12Cr2MoWVTiB），推薦使用溫度為620，經(jīng)長期使用總結(jié)的經(jīng)驗證明，其使用溫度以低于60

18、0為宜。鋼102主要用于壁溫600的過熱器、再熱器管。2.1.4T23（HCM2S）、T24鋼的開發(fā)2HCM2S是在T22（2.25Cr-1Mo）鋼的基礎(chǔ)上吸收了鋼102的優(yōu)點改進的，600時的強度比T22高93，與鋼102相當(dāng)，由于C含量降低，加工性能和焊接性能優(yōu)于鋼102，可以焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理（壁厚8mm）。該鋼已獲得ASME鍋爐壓力容器規(guī)范CASE2199認可，被命名為SA213-T23。目前HCM2S已做出大口徑管，性能達到小口徑管的水平。T24（7CrMoVTiB10-10）鋼是在T22鋼的基礎(chǔ)上改進的，與T22鋼的化學(xué)成分比較，增加了V、Ti、B含量，減少了C含量，于是降低

19、了焊接熱影響區(qū)的硬度，提高了蠕變斷裂強度。T24 也可以焊前不預(yù)熱、焊后不熱處理（壁厚8mm）。T23、T24鋼是超臨界、超超臨界鍋爐水冷壁的最佳選擇材料；并可應(yīng)用于壁溫600 過熱器、再熱器管、P23可以用于壁溫600的聯(lián)箱。2.1.5F11、F12的開發(fā)20世紀(jì)60年代末，德國研究開發(fā)了12Cr鋼，F(xiàn)12（X20CrMoV121）鋼和F11（X20CrMoWV121）鋼（化學(xué)成分見表2.1），該鋼至1979年正式納入DIN17175標(biāo)準(zhǔn)。主要用于壁溫達610的過熱器、壁溫達650的再熱器以及壁溫為540560的聯(lián)箱和蒸汽管道，但其含碳量高，焊接性差。2.1.6新型鐵素體熱強鋼T91/P91

20、鋼的開發(fā)美國能源部委托橡樹嶺國家試驗室（ORNL）與燃燒工程公司（CE）聯(lián)合研究用于快速中子增殖反應(yīng)堆計劃的鋼材，開始改進原有的9Cr1Mo鋼，以研究開發(fā)一種新的9Cr1Mo鋼，要求這種新鋼種綜合早期9Cr和12Cr鋼的性能，并具有良好的焊接性。到1980年測試了超過100種成分的試驗樣品，最后確定為改良型9Cr-1Mo鋼，即91/P91鋼，經(jīng)試驗該鋼在593105h條件下的蠕變斷裂強度達到100 MPa，韌性也較好，這種改進的9Cr-1Mo鋼優(yōu)于EM12和F12。1983年美國ASME認可了這種鋼為T91、P91，即SA213-T91、SA335-P91。T91鋼可用于壁溫600的過熱器、再

21、熱器管，P91鋼可用于壁溫600的聯(lián)箱和蒸汽管道。2.1.7T92/P92、T122/P122鋼的開發(fā)20世紀(jì)90年代初，日本在大量推廣T91、P91的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用溫度超過600時，T91、P91已不能滿足長期安全運行的要求。在調(diào)峰任務(wù)重的機組，管材的疲勞失效也是個大問題，當(dāng)管材在高溫下長期運行時，大量蠕變空洞出現(xiàn)之前的積累損傷判斷成為更為重要的問題。日本在開發(fā)新的大機組鍋爐用鋼方面做了大量的試驗研究工作，目前已生產(chǎn)出商品鋼管，并已得到ASME標(biāo)準(zhǔn)的認可。日本在大型鍋爐高溫部件上已采用了這些新的鋼種，例如SA213-T92（NF616）、SA335-P92（NF616）、SA213-T1

22、22（HCM12A）、SA335-P122（HCM12A）新鋼種。圖2給出了HCM12A、NF616、T91鋼許用應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線。新材料的應(yīng)用有效降低了管壁厚度，減少了材料的用量并使管系布置條件得到了改善，圖3對主蒸汽管采用P122、P91和P22的3種材料進行了比較。圖2許用應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線圖3主蒸汽管選用材料的比較2.1.8NF12、SAVE12新型鐵素體熱強鋼的開發(fā)3NF12、SAVE12鋼是為了提高超超臨界鍋爐效率急需開發(fā)能夠用于650的鐵素體熱強鋼。通過對12Cr-W-Co鋼的研究，表明高的鎢和低的碳含量能夠提高蠕變斷裂強度，而且Co的存在可以避免鐵素體的形成。圖4給出了幾

23、種典型的鐵素體熱強鋼的蠕變斷裂強度?？梢钥闯鯪F12鋼的蠕變斷裂強度高于P92、P91和F12鋼。相信不久的將來，這種蠕變強度優(yōu)良的NF12鋼一定能用于34.3 MPa、650的超超臨界鍋爐中。圖4典型的鐵素體熱強鋼蠕變斷裂強度2.2奧氏體鋼奧氏體鋼的發(fā)展進程見圖5。表3給出了用于過熱器和再熱器的奧氏體鋼的化學(xué)成分。表中按含Cr量分為4類：即15Cr、18 Cr、2025Cr和高Cr。這些鋼種正在發(fā)展過程中，最初添加Ti、Nb，是從抗腐蝕的角度來提高鋼的穩(wěn)定性。然后在保持穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)降低Ti和Nb的含量，以提高蠕變強度。而不是提高抗腐蝕性，然后加Cu，以銅富相的沉積和熱處理改進來提高沉積

24、強化，進一步趨勢是添加0.2%N和一定量的W，以增強固溶體的強度。圖5鍋爐的奧氏體鋼的發(fā)展進程2.2.1新型細晶奧氏體熱強鋼Super304H的開發(fā)4Super304H是TP304H的改進型，添加了3Cu和0.4Nb獲得了極高的蠕變斷裂強度，600650許用應(yīng)力比TP304H高30%，這一高強度是奧氏體基體中同時產(chǎn)生NbCrN、Nb（N、C）、M23C6和細的富銅相沉淀強化的結(jié)果。運行2.5年后的性能試驗表明該鋼的組織和力學(xué)性能穩(wěn)定，而且價格便宜，是超超臨界鍋爐過熱器、再熱器的首選材料。2.2.2TP347HFG的開發(fā)5TP347HFG鋼是通過特定的熱加工和熱處理工藝得到的細晶奧氏體熱強鋼。雖

25、然TP347H鋼經(jīng)高溫下正?；倘芴幚?，其許用應(yīng)力在18Cr-8Ni鋼中最高，然而，高的固溶溫度使這種鋼產(chǎn)生粗晶粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蒸汽側(cè)抗蒸汽氧化能力降低?，F(xiàn)已開發(fā)出一種TP347H 鋼管晶粒再細化工藝。此工藝即使在較高的固溶處理時也能獲得細晶粒，晶粒的細化是通過在固溶處理工藝中碳化鈮的沉淀來完成的。通過這個工藝處理的管子不但有極好的抗蒸汽氧化性能，而且比TP347H粗晶鋼的許用應(yīng)力高20%以上。TP347HFG鋼的應(yīng)用對降低蒸汽側(cè)氧化是一個有前途的對策，已被廣泛應(yīng)用于超超臨界機組鍋爐過熱器、再熱器管。表3部分奧氏體鋼的化學(xué)成分成分 標(biāo)準(zhǔn) 化學(xué)成分/% 18Cr-8Ni ASME JIS C Si

26、Mn Ni Cr Mo W V Nb Ti B Others TP304H SUS304HTB 0.08 0.6 1.6 8.0 18.0 - - - - - - - Super 304H SUS304J1HTB 0.10 0.2 0.8 9.0 18.0 - - - 0.40 - - 3.0Cu,0.10N TP321H SUS321HTB 0.08 0.6 1.6 10.0 18.0 - - - - 0.5 - - Tempa1oy A-1 SUS321J1HTB 0.12 0.6 1.6 10.0 18.0 - - - 0.10 0.08 - - TP316H SUS316HTB 0.0

27、8 0.6 1.6 12.0 16.0 2.5 - - - - - - TP347H SUSTP347HTB 0.08 0.6 1.6 10.0 18.0 - - - 0.8 - - - TP347HFG 0.08 0.6 1.6 10.0 18.0 - - - 0.8 - - - 15Cr-15Ni 17-14CuMo 0.12 0.5 0.7 14.0 16.0 2.0 - - 0.4 0.3 0.006 3.0Cu Esshete1250 0.12 0.5 6.0 10.0 15.0 1.0 0.2 1.0 - 0.06 - Tempa1oy A-2 0.12 0.6 1.6 14.0

28、18.0 1.6 - - 0.24 0.10-20-25Cr 20-25Cr TP310 SUS310TB 0.08 0.6 1.6 20.0 25.0 - - - - - - - TP310NbN SUS310J1TB 0.06 0.4 1.2 20.0 25.0 - - - 0.45 - - 0.2N NF707 0.08 0.5 1.0 35.0 21.0 1.5 - - 0.2 0.1 - - Alloy 800H NCF800HTB 0.08 0.5 1.2 32.0 21.0 - - - - 0.5 - 0.4Al Tempa1oy A-3 SUS309J4HTB 0.05 0.4

29、 1.5 15.0 22.0 - - - 0.7 - 0.002 0.15N NF709 SUS310J2TB 0.15 0.5 1.0 25.0 20.0 1.5 - - 0.2 0.1 - SAVE25 0.10 0.1 1.0 18.0 23.0 - 1.5 - 0.45 - - 3.0Cu,0.2N HighCr-HighNi CR30A 0.06 0.3 0.2 50.0 30.0 2.0 - - - 0.2 - 0.03Zr HR6W 0.08 0.4 1.2 43.0 23.0 - 6.0 - 0.18 0.08 0.003 2.2.3HR3C（Nb）鋼的開發(fā)6 HR3C在日本JIS標(biāo)準(zhǔn)中的材料牌號為SUS310JITB，在ASME標(biāo)準(zhǔn)中的材料牌號為Nb。HR3C鋼是TP熱強鋼的改良鋼種，