超(超超)臨界鍋爐用鋼材質(zhì)特性及分析---彭波科技論文.doc

1、超（超超）臨界機(jī)組管道材質(zhì)特性及分析摘 要：。Abstr act:.關(guān)鍵詞：Key words:1 前言超（超超）臨界機(jī)組蒸汽溫度和壓力的提高對材料的熱強(qiáng)性能、抗高溫腐蝕和蒸汽氧化能力都有更高的要求，在采用與亞臨界鍋爐或者超臨界鍋爐相同材料前提下，蒸汽溫度和壓力的提高勢必要求增加材料的厚度（主要是管壁厚度），而厚壁部件的生產(chǎn)、焊接、熱處理、探傷等工藝等都有更多的困難，同時還會降低機(jī)組的啟停速率和調(diào)峰能力。要實(shí)現(xiàn)高蒸汽參數(shù)機(jī)組的可靠運(yùn)行，就必須使用與高的參數(shù)相適應(yīng)的高性能的耐熱材料。對于超超臨界鍋爐受壓部件的選材，其特殊性主要體現(xiàn)在水冷壁、末級過熱器、末級再熱器、主蒸汽管道及集箱等部件。以下對被

2、收錄到ASME/ASTM和ASME CODE CASE（規(guī)范案例）的一部分新型鍋爐材料進(jìn)行簡要介紹，其中一些材料已被應(yīng)用到哈鍋承制的國內(nèi)第一臺1000MW等級的超超臨界鍋爐-玉環(huán)工程上和后續(xù)的泰州、營口、闞山、河源等超超臨界工程上，如P92、Super 304H和CODE CASE 2115（25Cr20Ni）；有一些材料哈鍋進(jìn)行過或正在進(jìn)行材料的復(fù)核試驗(yàn)或應(yīng)用研究，如P92、E911、TP347HFG、Super304H等，對這些材料的應(yīng)用研究已被列入了國家863“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”課題/子課題2的材料應(yīng)用研究。2一、新型912%Cr鐵素體耐熱鋼1T/P92是一種新型的9%Cr的馬氏體熱

3、強(qiáng)鋼。該鋼是由日本新日鐵公司在T/P91（9Cr-1Mo-V-Nb）合金成分的基礎(chǔ)上通過加入1.8的W取代部分Mo，大大提高了固溶強(qiáng)化的效果，得到了NF616（T/P92，9Cr0.5Mo1.8WVNb），600的許用應(yīng)力比T91高34，可用作620以下的鍋爐厚壁部件。該鋼已正式被收錄到ASME規(guī)范中的SA-213和SA-335標(biāo)準(zhǔn)中，其許用應(yīng)力按規(guī)范案例（ASME CODE CASE）2179-3。該類鋼目前由德國的V&M和日本的住友金屬生產(chǎn)。近年來，隨著該材料持久強(qiáng)度試驗(yàn)時間的不斷增加，發(fā)現(xiàn)10萬小時持久強(qiáng)度低于推算的數(shù)據(jù)（大約降低14），在2005年歐洲蠕變協(xié)會的ECCC05標(biāo)準(zhǔn)

4、中，該材料的許用應(yīng)力值被更新，許用應(yīng)力的數(shù)值比ASME標(biāo)準(zhǔn)又有所降低，使用時必須注意，具體見下表。不同標(biāo)準(zhǔn)的P92材料許用應(yīng)力對比溫度oCASME Code Case 2179 MPaECCC99MPaECCC05MPa580105.69100.6794.6759096.7590.6784.6760088.1582.0075.3361079.7173.3366.6762071.2764.6758.0063063.0556.6750.0064054.8649.3343.3365047.0042.6737.332E911(T/P911)E911是歐洲COST501開發(fā)的新鋼種，最初是作為轉(zhuǎn)子用鋼設(shè)

5、計的，后來在歐洲主要作為鍋爐小管和厚壁部件材料進(jìn)行開發(fā)，其成分與日本新日鐵開發(fā)的NF616(T92/P92)類似，也是一種9%Cr的馬氏體熱強(qiáng)鋼，是在P91基礎(chǔ)上以1.0W取代部分Mo，在ASME規(guī)范中提供的高溫許用應(yīng)力值略低于P92。哈鍋對該鋼種的大口徑鋼管已進(jìn)行了多年的連續(xù)跟蹤和試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，其實(shí)際的高溫持久性能比其生產(chǎn)商德國V&M公司推薦的數(shù)據(jù)和ASME規(guī)范上的要高些，與T/P92相當(dāng)，有關(guān)試驗(yàn)仍在進(jìn)行中。該鋼種已被收錄到ASTM A 213-03a和A335-03中，其牌號為T/P911。在現(xiàn)行的ASME2001版規(guī)范中該鋼種以CODE CASE 2327的形式出現(xiàn)，正式

6、進(jìn)入規(guī)范材料。3T122/P122隨著該材料持久強(qiáng)度試驗(yàn)時間的增加，發(fā)現(xiàn)其允許應(yīng)力有大幅度降低（在600時大約降低20，在650時大約降低60）。哈鍋已不用該材料。二、 新型的奧氏體耐熱鋼1TP347HFGTP347H是常規(guī)18%Cr系列奧氏體耐熱鋼中高溫強(qiáng)度最高的，但其抗蒸汽氧化及剝落性能有限。通過特殊熱處理和熱加工使TP347H晶粒細(xì)化到ASTM 8級以上即得到TP347HFG細(xì)晶鋼，提高了抗蒸汽氧化能力，同時由于固溶強(qiáng)化效果的提高，蠕變強(qiáng)度得到提高，對于提高過熱器管的穩(wěn)定性起著重要的作用，在許多超超臨界機(jī)組中得到了大量應(yīng)用。該鋼種較早被收錄到ASME SA-213標(biāo)準(zhǔn)中，許用應(yīng)力按ASM

7、E CODE CASE2159-1。該鋼種的實(shí)用業(yè)績在日本和歐洲都有很多，歐洲和日本都能夠生產(chǎn)，由于成分相對簡單、今后國內(nèi)生產(chǎn)也較容易，對鍋爐制造企業(yè)材料采購及電廠維修都非常有利。2Super304HSuper 304H是基于已被廣泛使用的、傳統(tǒng)的奧氏體耐熱鋼TP304H（18Cr-8Ni）鋼，應(yīng)用多元合金強(qiáng)化理論、彌散強(qiáng)化理論等開發(fā)的一種新型的奧氏體鋼，其公稱成分為(0.1C-18Cr-9Ni- 3Cu-Nb-N)?，F(xiàn)已被列入了ASME CODE CASE 2328，并收錄到美國材料與試驗(yàn)學(xué)會材料標(biāo)準(zhǔn)ASTM A 213 (03a版)中，UNS編號S30432；日本標(biāo)準(zhǔn)牌號SUS304J1H

8、TB。該鋼由日本Y.Sawaragi等人開發(fā)，日本住友金屬株式會社將其工業(yè)化生產(chǎn)，在成分上的特征是： 為提高蠕變斷裂強(qiáng)度增加了3%左右的Cu。即在蠕變中Cu富集相在奧氏體基體中微細(xì)分散共格析出，大幅度提高了材料的蠕變斷裂強(qiáng)度； 通過復(fù)合加入Nb、N元素，達(dá)到進(jìn)一步提高材料的高溫強(qiáng)度和持久塑性。該鋼在成分的設(shè)計上以典型的18Cr-8Ni作為基礎(chǔ)，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，不用價格相對較高的W、Mo等元素，利用多元合金化原理，即顯著提高了材料的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度，又使其耐高溫?zé)煔飧g和高溫蒸汽氧化與細(xì)晶粒TP347H（TP347HFG）大致相同。Super304H在650時的許用應(yīng)力比TP304H高90%

9、、比TP347H高48%、比TP347HFG高21%，而且比25Cr-20Ni類的TP310HCbN(HR3C)略高5%左右。由于Super304H在高溫下具有較高的蠕變斷裂強(qiáng)度和許用應(yīng)力，因此該鋼是性能價格比最好的材料，采用這種鋼管制造超超臨界鍋爐受壓部件的經(jīng)濟(jì)性非常顯著，同時可以使鋼管壁厚減薄，鋼耗量大大降低。該材料首次實(shí)際裝機(jī)運(yùn)行時間是1989年，由三菱重工株式會社與和歌山共同火力株式會社共同使用在鍋爐的過熱器和再熱器上 (參數(shù)19MPa，571/543)運(yùn)行了6年，MHI在超臨界和超超臨界上的應(yīng)用見專題說明1，其中原町1號爐1997年投運(yùn)至今已8年。高參數(shù)下的更長期的安全使用性能還需要

10、實(shí)機(jī)考核。該鋼的焊接性和冷熱加工性與TP347H相當(dāng)，另外，從1989年開始，哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司、東方鍋爐股份有限責(zé)任公司、上海鍋爐廠有限責(zé)任公司、機(jī)械部發(fā)電設(shè)備服務(wù)中心與日本住友金屬公司合作，對一些新型耐熱鋼進(jìn)行了部分的性能復(fù)核及研究，針對的主要材料是T23(HCM2S)、T91/P91、HCM12A、Super 304H。應(yīng)該說哈鍋對Super 304H的加工、焊接性能及熱處理工藝已經(jīng)掌握，具備保證超超臨界機(jī)組的運(yùn)行可靠性以及對運(yùn)行中可能出現(xiàn)問題的反應(yīng)能力及維護(hù)能力。哈鍋的玉環(huán)、泰州、營口、闞山、河源工程等超超臨界鍋爐上使用了該材料。3 25Cr20Ni25Cr20Ni是一種結(jié)合了T

11、P310H和TP310Cb的改進(jìn)的25Cr-20Ni型奧氏體耐熱鋼，其公稱成分為0.1C-25Cr-20Ni-Nb-N，現(xiàn)列入了ASME SA-213/SA-213M標(biāo)準(zhǔn)中，材料牌號TP310HCbN（UNS S31042），許用應(yīng)力按ASME CODE CASE 2115-1。該材料由日本住友金屬株式會社開發(fā)，由于在原TP310H的基礎(chǔ)上添加了微量的Nb和N（Nb：0.200.60%，N：0.150.35%），使這種鋼的高溫許用應(yīng)力在950（520）以上比TP310H有顯著提高，在金屬壁溫為650時，該材料的高溫蠕變強(qiáng)度為TP310H的2倍左右。由于具有高Cr、高Ni，因此抗高溫蒸汽氧化、抗

12、煙氣腐蝕的性能比18Cr-8Ni或19Cr-11Ni要高出許多，是一種以高參數(shù)的超超臨界鍋爐過熱器或再熱器高溫段部件為使用背景的材料。以上六種材料的化學(xué)成分、常溫力學(xué)性能、許用應(yīng)力見表1表4。表1 奧氏體鋼管的化學(xué)成分和力學(xué)性能材料牌號Super 304HTP347HFGTP304HTP347HTP310HTP310HCbN(25Cr20Ni)UNS編號S30432-S30409S34709S31009S31042公稱成分18Cr-9Ni-3Cu-Cb-N18Cr-10Ni-Cb18Cr-8Ni18Cr-10Ni-Cb25Cr-20Ni25Cr-20Ni-Cb-N材料標(biāo)準(zhǔn)SA-213CODE

13、CASE2328SA-213CODE CASE2159-1SA-213SA-213SA-213SA-213CODE CASE2115-1化學(xué)成分C0.07-0.130.06-0.100.04-0.100.04-0.100.04-0.100.04-0.10Si0.300.750.750.750.750.75Mn0.502.002.002.002.002.00P0.0450.0400.0400.0400.0400.030S0.0300.0300.0300.0300.0300.030Cr17.00-19.0017.00-22.0018.0-20.017.0-20.024.00-26.0024.00-

14、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+Nb0.20-0.808×C1.08×C1.0Cu2.50-3.50Al0.003-0.030N0.05-0.120.15-0.35B0.001-0.010室溫力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度Rmksi (MPa)80(550)80(550)75(515)75(515)75(515)95(655)屈服強(qiáng)度Rp0.2ksi(MPa)30(205)30(205)30(205)30(205)30(205)43(295

15、)伸長率 A 50mm,%353535353530硬度192HB(90HRB)192HB(90HRB)192HB(90HRB)192HB(90HRB)192HB(90HRB)256HB(100HRB)表2 奧氏體鋼管的許用應(yīng)力金屬溫度不超過°F許用應(yīng)力值（ksi）Super 304HTP347HFGTP304HTP347HTP310HTP310HCbN（25Cr20Ni）-2010022.720.020202027.120022.720.020202026.930022.720.018.918.82025.440022.719.918.317.819.924.650021.919.3

16、17.517.119.324.260021.119.116.616.918.524.065020.719.016.216.818.223.970020.418.915.816.817.923.875020.118.815.516.817.723.780019.818.615.216.817.423.685019.518.314.916.817.223.490019.218.114.616.716.923.195018.917.914.316.616.722.8100018.617.71416.413.822.4105018.317.512.416.210.322.0110018.116.69.

17、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的許用應(yīng)力摘自ASME Section II-D篇；（2）Super 304H、TP347HFG和TP310HCbN的許用應(yīng)力摘自ASME規(guī)范案例（CODE CASE）。表3 鐵素體鋼管的化學(xué)成分和力學(xué)性能

18、材料牌號T91/P91T92/P92(NF616)T911/P911（E911）T122/P122(HCM12A)公稱成分9Cr-1Mo-V9Cr-2W9Cr-1Mo-1W-Cb12Cr-2W材料標(biāo)準(zhǔn)ASME SA-213ASME SA-335ASME SA-213ASME SA-335CODE CASE2179-3ASTM A 213ASTM A 335CODE CASE2327ASME SA-213ASME SA-335CODE CASE2180-2化學(xué)成分C0.08-0.120.07-0.130.09-0.130.07-0.14Mn0.30-0.600.30-0.600.30-0.600

19、.70P0.0200.0200.0200.020S0.0100.0100.0100.010Si0.20-0.500.500.10-0.500.50Cr8.00-9.508.50-9.508.5-9.510.00-12.50Mo0.85-1.050.30-0.600.90-1.100.25-0.60V0.18-0.250.15-0.250.18-0.250.15-0.30W1.50-2.000.90-1.101.50-2.50Nb0.06-0.100.04-0.090.060-0.1000.04-0.10B0.001-0.0060.0003-0.0060.005N0.030-0.0700.030

20、-0.0700.040-0.0900.040-0.100Ni0.400.400.400.50Al0.0400.0400.0400.040Cu0.30-1.70力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度Rmksi (MPa)85(585)909090屈服強(qiáng)度Rp0.2ksi(MPa)60(415)646458伸長率A 5,50mm, %20202020硬度250HB(265HV)(25HRC)250HB(25HRC)238HB(99.5HRB)250HB(25HRC)表4 鐵素體鋼管的許用應(yīng)力金屬溫度不超過°F許用應(yīng)力值（ksi）T91/P91T911/P911-2010024.325.720024.325.7

21、30024.325.140024.224.150024.123.660023.723.265023.423.070022.922.775022.222.380021.321.785020.321.090019.120.195017.819.0100016.317.7105014.0(12.9)14.9110010.3(9.6)11.411507.06.712004.3專題說明17：超（超）臨界鍋爐高溫用鋼的選擇和應(yīng)用1.概述超（超）臨界機(jī)組鍋爐出口蒸汽的溫度、壓力參數(shù)相應(yīng)提高，過熱器/再熱器蛇形管的服役條件更為復(fù)雜、惡劣，需采用高溫強(qiáng)度更高，抗氧化腐蝕性更好的奧氏體不銹鋼材料；另外對大口徑集箱

22、和管道的首選材料是鐵素體耐熱鋼，因?yàn)榈偷臒崤蛎浵禂?shù)和高的熱導(dǎo)率可以允許較高的啟停速率，而不會導(dǎo)致這些厚壁部件嚴(yán)重的熱疲勞損傷，在蒸汽溫度到達(dá)600以上，鍋爐過熱器或再熱器出口集箱和管道等需采用高溫強(qiáng)度更高，并具有良好工藝性能、斷裂韌性的高合金Cr-Mo鋼材料。我公司對以上幾種材料的性能，特別是焊接性能、彎曲性能，進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究。2.超（超）臨界鍋爐高溫用鋼選用原則當(dāng)前，適用于超臨界鍋爐和超超臨界鍋爐高溫段受熱面的材料有T91、T92、TP347H、TP347HFG、SUPER304H（XA704）、HR3C（NF709）等。在選用這些材料時，我公司綜合分析材料的強(qiáng)度和抗氧化性能，在

23、設(shè)計壁溫的基礎(chǔ)上選用材料。根據(jù)我公司經(jīng)驗(yàn)，在材料既定使用溫度下，選用材料的許用應(yīng)力不低于49Mpa （7.0Ksi）。以下為材料我公司選擇原則。規(guī)范規(guī)定能夠使用的最高溫度及對應(yīng)強(qiáng)度材料T91T92TP347HTP347HFGSUPER304HHR3C溫度（）649649732732732732強(qiáng)度（Ksi）4.36.93.24.04.74.3我公司選擇使用的最高溫度及對應(yīng)強(qiáng)度材料T91T92TP347HTP347HFGSUPER304HHR3C溫度（）621621649667667667強(qiáng)度（Ksi）7.010.27.97.38.77.63.超（超）臨界鍋爐高溫用鋼的使用溫度限制目前我國鍋爐制

24、造企業(yè)的選擇是：超臨界參數(shù)鍋爐受熱面高溫段材料：T91、TP347H和TP347HFG等，集箱則多采用12Cr1MoVG、P91等；對超超臨界鍋爐高溫部分所用的材料要多一些，有T91、T92、TP347H、TP347HFG、SUPER304H、和HR3C等，集箱則多采用12Cr1MoVG、P23、P91、P92等。高溫鋼種的使用溫度及部件鋼種使用溫度上限應(yīng)用部件P23575集箱T91620過熱器、再熱器P91600集箱、蒸汽管道T92640過熱器、再熱器P92625集箱、蒸汽管道TP347H650過熱器、再熱器TP347HFG675過熱器、再熱器SUPER304H700過熱器、再熱器HR3C7

25、00過熱器、再熱器4.TP347HFG材料選用與SUPER304H和HR3C國產(chǎn)化情況4.1 TP347H材料國產(chǎn)化情況日本住友于80年代末對TP347H鋼管仍對TP347H鋼管進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)：利用微細(xì)的鈮碳化物（NbC）的溶解和沉淀機(jī)理，采用新的、較高的固溶處理溫度的熱處理工藝使得TP347H的晶粒大大地細(xì)化，已得到ASME code case 2159確認(rèn)，列入ASME SA-213M，標(biāo)準(zhǔn)中正式名稱為TP347HFG。TP347HFG的成分、室溫性能、高溫短時性能與TP347H基本相同，但由于采用了特殊的處理方式，晶粒明顯細(xì)化，使其抗氧化性能、持久強(qiáng)度、焊接性能、疲勞性能大大優(yōu)于常規(guī)的

26、TP347H鋼管。特別是在目前超臨界鍋爐的經(jīng)常變荷運(yùn)行和啟停較為頻繁的條件下，其優(yōu)良的抗氧化性能和疲勞性能更顯其重要性。目前國內(nèi)華新特鋼和武進(jìn)不銹鋼管廠已試制出TP347HFG，按照鍋規(guī)的規(guī)定，新材料應(yīng)完整的評定試驗(yàn)。由于該鋼是對TP347H進(jìn)行了制管工藝的優(yōu)化，得到更佳的性能。4.2 SUPER304H與HR3C國產(chǎn)化情況為了得到良好的強(qiáng)度、塑性、韌性和抗腐蝕性的配合，應(yīng)當(dāng)獲取具有最佳性能配合的組織及晶粒度。這兩種鋼管的熱處理溫度較高（基本上都在1200以上），對熱處理裝備能力提出了要求。目前，華新特鋼、武進(jìn)不銹鋼管廠、宜興精密鋼管廠的熱處理爐已安裝，華新特鋼已開始投用，武進(jìn)正在調(diào)試，宜興因

27、燃?xì)夤┙o暫時未到位，還不能投用。前兩家已基本具備小批量生產(chǎn)能力，但還需繼續(xù)完善制造工藝，以形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力。5高溫管屏熱處理我公司不銹鋼管屏熱處理根據(jù)鍋爐容量等級的變化和技術(shù)發(fā)展的需要先后存在并繼續(xù)沿用以下兩種技術(shù)路線：1）亞臨界鍋爐高溫受熱面，管屏主體材料為12Cr1MoV、P22、G102、T91、SA213TP304H、SA213TP347H等，在出口段部分使用不銹鋼。針對這類管屏采取的技術(shù)路線是：不銹鋼彎頭采用局部固溶，管屏整體回火處理（主要是解決大量合金鋼彎頭和焊口的應(yīng)力消除和組織改善）。2） 超臨界和超超臨界鍋爐高溫受熱面，管屏主體材料為SA213TP347H、SUPER30

28、4H、HR3C等奧氏體材料，只有在入口段和出口段考慮與集箱管座的現(xiàn)場焊接而采用少量的T91、T92材料。針對該類管屏的熱處理技術(shù)路線是：不銹鋼+合金鋼的異種鋼接頭采用局部回火處理；不銹鋼彎頭加大彎曲半徑，不做固溶處理；個別小半徑彎頭固溶處理。5.1不銹鋼管屏熱處理的技術(shù)依據(jù)合金鋼和不銹鋼材料經(jīng)過焊接、彎曲等加工后是否進(jìn)行處理，應(yīng)視加工對其性能的影響程度而定。當(dāng)前我國國家標(biāo)準(zhǔn)中只有相關(guān)焊后熱處理的要求，對不銹鋼和合金鋼彎曲熱處理沒有明確規(guī)定。我國鍋爐制造廠家在執(zhí)行上往往根據(jù)其技術(shù)來源、美國ASME標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合自身對材料性能的研究和實(shí)踐制定自身的技術(shù)路線。我公司通過長期的研究和實(shí)踐形成了以下共識：

29、5.1.1一般當(dāng)冷彎或熱彎到達(dá)某一變形量即彎管半徑超過某一半徑時，或熱彎在某一溫度區(qū)域進(jìn)行時需進(jìn)行與母材使用狀態(tài)相當(dāng)?shù)臒崽幚怼?.1.2 不銹鋼與不銹鋼之間的焊口不需要固溶熱處理，不銹鋼與合金鋼的異種鋼接頭，合金鋼之間的接頭應(yīng)進(jìn)行回火處理。根據(jù)材料的使用狀態(tài)和我公司彎管工藝，對超臨界或超超臨界鍋爐不銹鋼管屏熱處理的分析如下：材料彎曲方法及變形量熱處理方法采取的技術(shù)措施T91/T92冷彎任意變形量回火執(zhí)行回火處理T91/T92熱彎(Ac1Ac3)任意變形量正火回火避開該溫度區(qū)T91/T92熱擠壓正火狀態(tài)回火執(zhí)行回火處理TP304H冷彎20%(R2.5D)12固溶處理提高彎曲半徑，不做熱處理TP3

30、47H冷彎15%(R3.3D) 12固溶處理提高彎曲半徑，不做熱處理Super304H冷彎15%(R3.3D) 12固溶處理提高彎曲半徑，不做熱處理HR3C冷彎15%(R3.3D) 12固溶處理提高彎曲半徑，不做熱處理不銹鋼熱彎擠壓固溶處理執(zhí)行回火處理異種鋼焊口/回火執(zhí)行回火處理不銹鋼焊口/不需要不做處理T91等合金鋼/回火執(zhí)行回火處理注：(1) 美國ASME規(guī)范第卷 PG19 關(guān)于冷成型應(yīng)變范圍和熱處理要求。(2) 國外資料文獻(xiàn)（包括我公司引進(jìn)的BHK技術(shù)和SUPER304H、HR3C材料研究資料）推薦不銹鋼固溶處理的變形量20%(R2.5D)。5.2 不銹鋼管屏整體固溶處理的分析管屏進(jìn)行整

31、體還是局部熱處理，應(yīng)根據(jù)管屏中材料組成和各種材料彎曲焊接加工工藝而定。就我公司不采用管屏整體熱處理，原因如下：5.2.1 管屏中不只存在不銹鋼彎頭，還存在T91等同種鋼彎頭、焊口、T91+不銹鋼焊口，同時管屏上還有其它附件焊縫，如果整體固溶處理將使其他不能固溶處理的焊縫受到嚴(yán)重影響。5.2.2 如果只是將純不銹鋼段彎曲后固溶處理，其熱處理必然帶來變形，變形后無論冷校正還是熱校正均對不銹鋼有害。5.2.3 在鍋爐制造廠進(jìn)行整體固溶處理，不能象鋼廠一樣進(jìn)行噴水冷卻，其自然空冷將不能達(dá)到原始管子的組織和性能。因此，我公司認(rèn)為不銹鋼管屏熱處理的最佳方式就是將彎頭變形區(qū)進(jìn)行固溶，其它焊口和彎頭根據(jù)需要進(jìn)

32、行相應(yīng)的處理。我公司采取的不銹鋼管屏的熱處理措施為：不銹鋼管屏制造盡量減少熱加工，或降低熱加工的影響。加大管子彎曲半徑，控制冷加工變形量，取消彎頭固溶處理；針對不可避免的小半徑彎頭采用整體進(jìn)爐熱處理，再拼接；控制制造過程中的變形，少量變形采取冷校正，取消熱校正；同合金鋼的異種鋼接頭采取局部退火處理。綜上所述：我公司超（超）臨界鍋爐的設(shè)計制造和成功投運(yùn)。通過大量的試驗(yàn)研究和借鑒學(xué)習(xí)，完全掌握了超（超）臨界鍋爐高溫用鋼的特性，我公司完全有能力制造采用這些材料的超（超）臨界鍋爐高溫受熱面部件。專題說明17：超（超）臨界鍋爐用鋼特性與應(yīng)用1、概述超（超）臨界機(jī)組鍋爐出口蒸汽的溫度、壓力參數(shù)相應(yīng)提高，過

33、熱器/再熱器蛇形管的服役條件更為復(fù)雜、惡劣，需采用高溫強(qiáng)度更高，抗氧化腐蝕性更好的奧氏體不銹鋼材料，如Super304H和HR3C；另外對大口徑集箱和管道的首選材料是鐵素體耐熱鋼，因?yàn)榈偷臒崤蛎浵禂?shù)和高的熱導(dǎo)率可以允許較高的啟停速率，而不會導(dǎo)致這些厚壁部件嚴(yán)重的熱疲勞損傷，在蒸汽溫度到達(dá)600以上，鍋爐過熱器或再熱器出口集箱和管道等需采用高溫強(qiáng)度更高，并具有良好工藝性能、斷裂韌性的高合金Cr-Mo鋼材料，如P92/T92等材料。我公司和技術(shù)引進(jìn)方對以上幾種材料的性能，特別是焊接性能、彎曲性能，進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究。2、P92/T92材料概況1. P92/T92材料性能P/T92對應(yīng)的日本

34、材料為NF616，新日鐵在P/T91基礎(chǔ)上通過1.8的W取代部分Mo，大大提高固溶強(qiáng)化的效果后得到了NF616，600的許用應(yīng)力比P/T91高，可用作620以下的鍋爐厚壁部件。2. P92/T92材料應(yīng)用P92大口徑管道環(huán)縫焊接我公司采用窄間隙熱絲TIG工藝進(jìn)行，該焊接技術(shù)已在技術(shù)引進(jìn)方使用多年，焊接質(zhì)量優(yōu)良，接頭的綜合力學(xué)性能較好。T92小口徑管的同種鋼和異種鋼接頭采用熱絲TIG焊工藝，焊接質(zhì)量良好。我公司P92大口徑管道環(huán)縫焊接同樣采用世界先進(jìn)的窄間隙熱絲TIG工藝進(jìn)行，為此我們已進(jìn)口1套熱絲TIG焊設(shè)備，首先用于鄒縣1000MW鍋爐的制造。焊接時采取內(nèi)通氬氣進(jìn)行背面保護(hù)，焊前預(yù)熱，控制層

35、間溫度，選用適當(dāng)?shù)暮附硬牧虾秃附庸に噮?shù)等措施來保證其焊接接頭的質(zhì)量。另外我公司還引進(jìn)2臺內(nèi)孔氬弧焊設(shè)備用于帶短管座的焊接。鄒縣1000MW鍋爐上使用P/T92材料制作出口集箱和管道。我們已經(jīng)就P92集箱制造進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，如焊接材料性能試驗(yàn)，焊接工藝試驗(yàn)，現(xiàn)已基本完成這些試驗(yàn)。同時我公司做了P122/T122材料及焊接的技術(shù)準(zhǔn)備，總之通過上述的工作，我們已完全掌握了P92/T92材料的焊接、加工、熱處理工藝。3. 有關(guān)P92的許用應(yīng)力下降問題P92材料列入ASME標(biāo)準(zhǔn)（Code Case 2179-3）后，近期有關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表了關(guān)于P92 材料蠕變應(yīng)力下降問題的文章，根據(jù)介紹，推算出P92管道

36、材質(zhì)在610下的許用應(yīng)力在ASME標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上有一定程度的下降。本工程投標(biāo)方案中考慮了上述因素的影響，在管子外徑和壁厚選取上留有一定的裕度。本公司將在中標(biāo)后與業(yè)主和設(shè)計院配合，進(jìn)一步完善P92材料管道規(guī)格的選擇。3、Super304H材料概況3.1 Super304H材料的應(yīng)用情況Super304H是由日本住友金屬株式會社和三菱重工在TP304H的基礎(chǔ)上，通過降低Mn含量上限，加入約3%的Cu、約0.45%的鈮和一定量的N，使該鋼在服役期運(yùn)行時產(chǎn)生非常細(xì)小而彌散的富銅相沉淀于奧氏體基體內(nèi)的沉淀強(qiáng)化以及NbC、NbN、NbCrN和M23C6的強(qiáng)化作用，而得到很高的許用應(yīng)力的一種新型的奧氏體不銹鋼鍋

37、爐管，目前已經(jīng)納入日本MITI標(biāo)準(zhǔn)，2000年3月已經(jīng)由ASME code case 2328予以確認(rèn)。SUPER304H鋼的焊接性能良好，持久強(qiáng)度高、組織穩(wěn)定性好及較好的抗蒸汽氧化性能，很好的耐蝕性（幾乎與細(xì)晶粒的TP347H相同）。在600-700，其105小時的持久強(qiáng)度為TP347H鋼的1.3倍以上。 本工程屏過、高過、高再除管屏外三圈管子采用HR3C材料外，其余管子均采用Super304H材料。Super304H鋼管在日本的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到12年，到目前為止，日本住友生產(chǎn)Super304H在實(shí)際電廠中的使用量已經(jīng)超過6131噸。日本巴布科克日立公司、三菱重工、石川島播磨等公司設(shè)計制造的超（

38、超）臨界鍋爐均大量采用Super304H材料。綜合日本以及國內(nèi)鍋爐行業(yè)的研究成果和在日本電站鍋爐的過熱器和再熱器上的應(yīng)用情況，都顯示出該鋼具有良好的綜合特性，性能優(yōu)于成熟應(yīng)用的18-8（ASME SA-213TP304H、ASME SA-213TP347H等）奧氏體不銹鋼。Super304H不同工作溫度下的許用應(yīng)力數(shù)值列表如下：3.2 Super304H材料的性能Super304H具有良好的高溫強(qiáng)度性能、抗煙氣腐蝕性能、抗蒸汽腐蝕性能。Super304H受熱面管材許用應(yīng)力變化曲線見圖1。從圖1可見在金屬壁溫大于600時Super304H許用應(yīng)力高于HR3C的許用應(yīng)力。圖1 許用應(yīng)力變化曲線(A

39、SME Sec Part D)6006507007508008509001101001000100001000001E+061E+071E+08Life time(h)Metal temperature(degC)At 6MPag658 degCSuper304H預(yù)期的使用壽命曲線見圖2，在658時使用壽命大約為465,000小時，遠(yuǎn)大于200,000小時使用壽命要求。圖2 Super304H 材料使用壽命變化曲線防止處于高溫區(qū)的高壁溫受熱面管子外側(cè)發(fā)生煙側(cè)高溫腐蝕的基本設(shè)計思路是采用奧氏體不銹鋼材質(zhì)。圖3中給出了受熱面管子高溫腐蝕減薄情況和其材質(zhì)中“Cr”含量的關(guān)系曲線。在煙氣中SO2含量大

40、于0.1%的情況下，由于HR3C鋼“Cr”含量更高，其高溫腐蝕減薄量低于Super304H，因此鍋爐燃料含硫高的情況下HR3C鋼更適用。在煙氣中SO2含量小于0.1%的情況下，通常使用Super304H材料。為提高鍋爐對煤種的適應(yīng)性，屏過、高過、高再管屏外三圈采用了HR3C。0.010.020.050.200.501.00.100溫度:650 灰 ：1.5MNa2SO4-1.5MK2SO4-1MFe2O3 腐蝕量(mg/cm2 )20Cr-25Ni-15MoHR3CSuper 304H50100150200時間:20小時 煙氣中的SO2含量圖3 材料煙氣腐蝕量變化曲線3.3 提高Super30

41、4H蒸汽側(cè)抗氧化性能的工藝措施的研究盡管Super304H具有良好的抗氧化性能，但在高金屬壁溫工作條件下同樣會被氧化產(chǎn)生Fe3O4。由于奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)大，因此造成氧化所生成的較厚的Fe3O4在鍋爐啟動和停止時，隨著熱應(yīng)力等的變化容易發(fā)生剝離，剝離物堆積在管子的彎曲部位，會造成管子的過熱，脫落的剝離層也會造成汽輪機(jī)葉片的損傷。我公司推薦在超超臨界鍋爐中減小Super304H奧氏體不銹鋼管內(nèi)壁蒸汽氧化的主要措施是采用管內(nèi)壁噴丸處理。圖4示出了采用管內(nèi)壁噴丸防止汽側(cè)腐蝕的效果，可見管內(nèi)壁噴丸是防止汽側(cè)腐蝕的最有效措施。溫度 (oC)腐蝕減薄厚度m0時間:1000小時25Cr-20Ni-Cb

42、-V -噴丸后SUPER 304H5506006507007508002030405010SUPER 304HHR3C圖4 不銹鋼管噴丸處理后的效果圖3.3.1關(guān)于Super304H管內(nèi)噴丸的工藝方法為驗(yàn)證噴丸工藝，我公司技術(shù)引進(jìn)方很早就對噴丸工藝進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，通過控制噴丸材料的輸送率、空氣流量和管子的運(yùn)動速度等來保證噴丸效果，通過對管子的端部和中部進(jìn)行噴丸效果的檢查（如：管內(nèi)壁致密層均勻度、硬度、壁厚等），驗(yàn)證噴丸工藝質(zhì)量。 在噴丸工藝初期使用階段， 要對管子采取大量檢查的措施，檢驗(yàn)兩端部及中間部位，確保沒有缺陷。工藝成熟后，對管子的噴丸效果仍要進(jìn)行上述檢驗(yàn)。3.3.2 對Super30

43、4H噴丸效果的試驗(yàn)研究我公司技術(shù)引進(jìn)方為了解Super304H噴丸效果的持續(xù)時間，對管子噴丸后內(nèi)壁形成的致密層進(jìn)行檢查，以檢驗(yàn)致密層厚度在實(shí)際應(yīng)用中的變化情況，下表為不同運(yùn)行時間時致密層厚度變化情況，可見噴丸效果非常穩(wěn)定，能達(dá)到很好的防止管內(nèi)壁抗氧化的效果。標(biāo)記使用時間(h)Fe3O4的厚度(m)（Fe,Cr）3O4的厚度(m)Cr2O3的厚度(m)總厚度(m)A9000-4B24000-5.5C*480001.52.02.05.5注：取樣管來自于我公司技術(shù)引進(jìn)方已投運(yùn)的1000MW超超臨界鍋爐，取樣管工作溫度為638。3.3.3關(guān)于Super304H部分的噴丸處理噴丸處理后對部分管子彎頭需進(jìn)

44、行固溶化處理。固溶化處理后的管子噴丸效果有一定的降低，但由于固溶化處理影響的區(qū)域占總受熱面面積的比例極小，運(yùn)行中由此產(chǎn)生的氧化層剝離物很少，在管子的彎曲部位不會產(chǎn)生因剝離物的堆積而造成管子的過熱和對汽輪機(jī)葉片的損傷。鍋爐吹管對噴丸效果無明顯影響根據(jù)我公司技術(shù)引進(jìn)方長期對Super304H噴丸處理的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際工程中，未發(fā)現(xiàn)因沖管造成對噴丸效果產(chǎn)生負(fù)面影響。3.4 1000MW超超臨界鍋爐使用Super304H的業(yè)績。日本有許多使用SUPER304H鋼的鍋爐運(yùn)行業(yè)績，在以往1000MW超超臨界機(jī)組鍋爐中使用Super304H的情況見下表：工程名稱松浦2號原町2號橘灣2號常陸那珂1號電力公司電源開

45、發(fā)東北電力電源開發(fā)東部電力容量1000MW1000MW1050MW1000MW燃料煤煤煤煤主蒸汽壓力25.1MPa（a）25.5MPa(a)26MPa(a)25.5MPa(a)主蒸汽溫度598604605604再熱蒸汽溫度596602613602高溫受熱面材料Super304HSuper304HSuper304HSuper304H投運(yùn)時間1996年7月1998年7月2000年12月2003年我公司技術(shù)引進(jìn)方設(shè)計制造的日本橘灣電廠2機(jī)組1050MW 超超臨界鍋爐中屏過、高過、高再受熱面均采用Super304H，從2000年12月投運(yùn)至今均未發(fā)現(xiàn)超溫爆管及汽輪機(jī)葉片沖蝕等問題。4、HR3C材料概況

46、HR3C（火SUS310JITB）則是日本住友金屬株式會社考慮到18-8型（TP304H或TP347H等）在含硫較多的環(huán)境中無足夠的耐蝕性、而TP310型鋼有足夠的耐蝕性卻只有較低的持久強(qiáng)度或許用應(yīng)力的狀況，從而研制開發(fā)的更高Cr、Ni含量的奧氏體不銹鋼，已經(jīng)納入日本MITI規(guī)范，牌號定為“火SUS310JITB”，近年由ASME Code Case 2115-1確認(rèn)。由于在該鋼中加入了比常規(guī)奧氏體不銹鋼多得多的Cr、Ni、較多的Nb和N，該鋼的抗拉強(qiáng)度高于常規(guī)的18-8不銹鋼，持久強(qiáng)度和許用應(yīng)力遠(yuǎn)高于常規(guī)的18-8不銹鋼以及TP310鋼，高溫耐熱蝕抗力大大優(yōu)于含Cr較少的鋼，且抗蒸汽氧化性能

47、極優(yōu)。4.1 DBC和技術(shù)引進(jìn)方對HR3C材料的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)HR3C材料是在日本不銹鋼SUS310TB基礎(chǔ)上改良后的材料，日本牌號是SUS310J1TB。該材料與Super 304H是日本日立公司和住友金屬同時聯(lián)合開發(fā)的新型材料，通過長期比較、研究，HR3C抗氧化性能和抗煙氣腐蝕優(yōu)于Super304H，在640以下的強(qiáng)度要優(yōu)于Super304H，但在640以上其強(qiáng)度不及Super304H，并且HR3C焊接性能不如材料Super304H。而技術(shù)引進(jìn)方在抗氧化性能上對Super304H采取噴丸工藝，使其抗氧化性能達(dá)到了HR3C的水平。我公司從上世紀(jì)90年末期就開始該材料管材性能研究。在2002年，我公

48、司分包制造日本25T垃圾焚燒爐上，未級過熱器部件管子全部采用HR3C材料。我公司通過一系列的工藝試驗(yàn)，完成了對這種材料的焊接材料選擇、焊接工藝、彎曲、加工性能等方面的工藝研究，并成功地運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)際，按ASME標(biāo)準(zhǔn)制造了該部件（注：該項(xiàng)目為ASME鋼印產(chǎn)品）。4.2 Super304H與HR3C性能比較、分析4.2.1 化學(xué)成分Super304H與HR3C鋼管的化學(xué)成分見表1。二者相比較，Super304H主要加了2.5-3.5%的銅、微量的Al和B；而HR3C鋼中則含有更高的Cr、Ni、Mn和N。表1 ：Super304H與HR3C鋼管的化學(xué)成分 成分材料CMnSiPSCrSuper304H

49、0.07-0.130.500.300.0450.03017.0-19.0HR3C0.04-0.102.000.750.0300.03024.0-26.0 成分材料NiNbNCuAlBSuper304H7.50-10.500.20-0.600.05-0.122.5-3.50.003-0.030.001-0.01HR3C17.0-23.000.20-0.600.15-0.354.2.2 金相組織以及晶粒度Super304H鋼管的供貨狀態(tài)為固溶處理。經(jīng)最終的固溶處理（最低固溶處理溫度1100）的熱處理后，金相組織應(yīng)為奧氏體組織，晶粒度應(yīng)為7-10級。HR3C（火SUS310JITB）鋼管的供貨狀態(tài)為固溶處理。經(jīng)最終的固溶處理（最低固溶處理溫度1100）的熱處理后，金相組織應(yīng)為奧氏體組