超臨界鍋爐用新型耐熱鋼的焊接及熱處理課件

06十一月2022超臨界鍋爐用新型耐熱鋼的焊接及熱處理02十一月2022超臨界鍋爐用新型耐熱鋼的焊接及熱處理1提要：

帶來的問題中國選擇的解決辦法

發(fā)展火電環(huán)保超(超)

主要技術(shù)難題

臨界機組材料、焊接及熱處理技術(shù)

2提要：

帶來的問題中國選擇的解決辦法

發(fā)

1、引言

中國電力工業(yè)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

年代裝機容量

1949年末184.86萬千瓦

1980年6500萬千瓦

1987年1億千瓦

1995年2億千瓦

2000年3億千瓦

2004年4.4億千瓦

2005年5.17億千瓦

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1、引言

中國電力工業(yè)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

★2005年發(fā)電量達24747億千瓦時。其中火電24975億千瓦時，水電3952億千瓦時，核電523億千瓦時。

全國發(fā)電裝機容量和全年發(fā)電量均居世界第二位。

但是我國年人均用電量為1894.17千瓦時，相當于美國的1/7，日本的1/4，韓國的1/3。年人均生活用電量僅為217千瓦時,相當于美國的1/20，日本1/10。

因此發(fā)展仍然是電力工業(yè)首要的和長期的任務(wù)。4★2005年發(fā)電量達24747億千瓦時。其中火電24975億截止2005年底火電裝機100MW~199MW燃煤火電機組447臺200MW~299MW燃煤火電機組225臺300MW~399MW燃煤火電機組339臺（含超臨界300MW×4）500MW~900MW燃煤火電機組83臺（含超臨界500MW×4，600MW×10，800MW×2，900MW×2）全國裝機容量超過1000MW電廠130座，其中火電104座，水電22座，核電4座5截止2005年底火電裝機5★2020年全社會用電達到45000～52000億千瓦時左右,需要裝機11億千瓦左右。

我國電力發(fā)展的基本方針是:提高能源效率，保護生態(tài)環(huán)境，加強電網(wǎng)建設(shè)，大力開發(fā)水電，優(yōu)化發(fā)展煤電，積極發(fā)展核電，適度發(fā)展天然氣發(fā)電，鼓勵新能源發(fā)電。我國能源以煤碳為主，所以我國的能源發(fā)展政策是煤為主體，電為中心，保障社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。優(yōu)化發(fā)展煤電，主要是提高燃煤發(fā)電機組的效率和減少污染物的排放。

6★2020年全社會用電達到45000～52000億千瓦時左右發(fā)展燃煤發(fā)電機組，必然帶來巨大的環(huán)境壓力，煙氣排放中會有更多的SOx、Nox和CO2，并排出大量的灰渣和污水。2005年我國煤炭年產(chǎn)量為21.9億噸，但火力發(fā)電用煤約占全國煤炭總產(chǎn)量的50%，燃煤發(fā)電產(chǎn)生的灰渣約占全國灰渣的70%、煙塵排放約占全國工業(yè)排放的33%、二氧化硫排放約占全國工業(yè)排放的56%。優(yōu)化發(fā)展煤電，提高火電機組效率、減少污染的潔凈煤發(fā)電技術(shù)有：循環(huán)流化床（CFBC）、增壓流化床（PFBC）、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）及超臨界（SC）與超超臨界（USC）。

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但是，CFBC、PFBC、IGCC等技術(shù)處于試驗或示范階段，在我國近期廣泛發(fā)展是不現(xiàn)實的。從技術(shù)難度和現(xiàn)實性看，SC和USC配以常規(guī)的煙氣凈化裝置已公認是一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)，是優(yōu)化煤電結(jié)構(gòu)的主要方向。符合當前中國的實際情況。

88亞臨界火電機組蒸汽參數(shù)：P=16~19MPa，T=538℃/538℃或T=540℃/540℃。當蒸汽參數(shù)超過水臨界狀態(tài)點的參數(shù)（P=22.129MPa，T=374.12℃），統(tǒng)稱為超臨界機組，（Supercritical）以（SC）表示。一般超臨界機組的蒸汽壓力為24~26MPa，其典型參數(shù)：P=24.1MPa、538℃/538℃；我國正在建造的600MW超臨界機組的參數(shù)為：P=25.4MPa、538℃/566℃；或

P=25.4MPa、566℃/566℃。9亞臨界火電機組蒸汽參數(shù)：P=16~199超超臨界機組實際上是在超臨界機組參數(shù)的基礎(chǔ)上進一步提高蒸汽壓力和溫度，國際上通常把主蒸汽壓力在24.1~31MPa、主蒸汽/再熱蒸汽溫度為580℃~600℃/580℃~610℃機組定義為高效超臨界機組，即通常所說的超超臨界（USC）機組。國內(nèi)正在建設(shè)的超超臨界機組（USC）的主蒸汽P=25~26.5MPa、T=600℃/600℃。10超超臨界機組實際上是在超臨界機組參數(shù)的2010年前預計建造：600MW超臨界機組約130臺

超超臨界機組 600MW10臺（營口2臺，闞山2臺，河源2臺，蕪湖2臺，鐵嶺2臺） 1000MW38臺（玉環(huán)4臺，鄒縣2臺，外高橋三期2臺，泰州2臺，寧海2臺，綏中2臺，海門2臺，平海2臺，萊州2臺，天津北疆4臺，句容2臺，蒲圻2臺，北侖港2臺，哈三2臺，諫壁2臺，古城2臺，烏沙山2臺,寧德2臺）112010年前預計建造：11

2.發(fā)展高效率、高參數(shù)、大容量SC、USC機組是當代世界火力發(fā)電的共同發(fā)展趨勢

2.1火電機組鍋爐蒸汽溫度、壓力參數(shù)的發(fā)展和選用

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2.發(fā)展高效率、高參數(shù)、大容量SC、USC機組是當代世界表2.1蒸汽參數(shù)與機組效率關(guān)系（IHI提供）型式亞臨界變壓超臨界定壓變壓蒸汽參數(shù)（滿負荷）169Kg/cm2538/538℃246Kg/cm2538/538℃246Kg/cm2538/538℃效率100%負荷基準+1.7%+1.7%+2.4%50%負荷基準+0.4%+2.3%+3.0%13表2.1蒸汽參數(shù)與機組效率關(guān)系（IHI提供）型式亞臨界變圖2.1蒸汽參數(shù)與機組效率的關(guān)系（三菱提供）14圖2.1蒸汽參數(shù)與機組效率的關(guān)系（三菱提供）14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.（見表1.1蒸汽參數(shù)與火電廠效率、供電煤耗關(guān)系）15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1616

IHI公司和三菱公司蒸參數(shù)選用的發(fā)展歷史分別見圖2.2、圖2.3。

圖2.2IHI公司鍋爐蒸汽參數(shù)發(fā)展歷史17

IHI公司和三菱公司蒸參數(shù)選用的發(fā)展歷史分別見圖圖2.3三菱重工公司鍋爐蒸汽參數(shù)發(fā)展歷史

18圖2.3三菱重工公司鍋爐蒸汽參數(shù)發(fā)展歷史

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192020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、高壓及焊接、熱處理問題

。21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、高壓及焊接、★由于具有劃時代意義的T91/P91鋼的研制成功，到20世紀90年代初和90年代末，電站鍋爐蒸汽溫度參數(shù)分別達到593℃和610℃。顯而易見，從20世紀50年代初到90年代末的40年間，電站鍋爐用耐熱鋼發(fā)生了一場質(zhì)的變革，這也必然促進了電站焊接技術(shù)的發(fā)展。

22★由于具有劃時代意義的T91/P91鋼的研制成功，到20世紀★我國正在建設(shè)的300MW及以上的亞臨界、超臨界火電機組，已經(jīng)采用了這種新型細晶強韌化鐵素體耐熱鋼系列中的SA213-T91、SA335-P91；將要建設(shè)的USC火電機組還要大量采用這種新型細晶強韌化鐵素體耐熱鋼系列中的SA213-T91、T92、E911、T122；SA335-P91、P92、P122及新型奧氏體耐熱鋼Super304H、TP347HFG、HR3C。

23★我國正在建設(shè)的300MW及以上的亞臨界、超臨界火電機組，已★廣大電站焊接工作者必須轉(zhuǎn)變幾十年來焊接傳統(tǒng)的低合金耐熱鋼形成的觀念。對這種新型耐熱鋼的強化機理、焊接性、焊接工藝、熱處理工藝、檢驗方法、焊工培訓及焊接管理等方面進行深入的研究和實踐，加大電站焊接科研力度，加大對焊接及相關(guān)專業(yè)人員的技術(shù)培訓，進一步提高專業(yè)技術(shù)素質(zhì)，以保證我國火電發(fā)展目標的實現(xiàn)。

24★廣大電站焊接工作者必須轉(zhuǎn)變幾十年來焊接傳統(tǒng)的低合金耐熱鋼形2.2我國與國外在超臨界機、超超臨界機組方面的比較

252.2我國與國外在超臨界機、超超臨界機組方面的比較

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2國家科技部863計劃“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”課題研究結(jié)論：推薦現(xiàn)階段我國發(fā)展超超臨界機組參數(shù)為：25MPa~28MPa，溫度為600℃/600℃，一次再熱。27國家科技部863計劃“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”課題研究目前世界上運行的超臨界及以上參數(shù)機組大約有600臺，其中美國170臺，日本、歐洲各60臺，俄羅斯及原東歐國家280余臺；有10臺1000MW級的超超臨界機組已投入運行。28目前世界上運行的超臨界及以上參數(shù)機組大約有600臺，

2929★由此可見，我國在發(fā)展超臨界、超超臨界機組方面，特別是在國產(chǎn)化方面與國外先進國家還有相當大的差距。

30★由此可見，我國在發(fā)展超臨界、超超臨界機組方面，特別是在國產(chǎn)3.

SC、USC鍋爐用鋼發(fā)展趨勢

313.SC、USC鍋爐用鋼發(fā)展趨勢

313.1鍋爐用鋼的發(fā)展歷程

3.1.1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、Ｗ、Ｃo等合金元素，６００℃１０５小時的蠕變斷裂強度由35Mpa級向60MPa級、100MPa級、140MPa級、180MPa級發(fā)展。323.1鍋爐用鋼的發(fā)展歷程

3.1.1鐵素體鋼

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333434

3.1.1.1低合金耐熱鋼

低合金耐熱鋼其含Cr≤3％，含Mo≤1%，是壁溫≤580℃的亞臨界以下參數(shù)鍋爐的常用鋼材。

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3.1.1.1低合金耐熱鋼

低合金耐熱鋼其含Cr≤3.1.1.2EM12鋼的開發(fā)

60年代比利時開發(fā)，法國用于620℃的過熱器和再熱器管。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。363.1.1.2EM12鋼的開發(fā)

60年代比利時3.1.1.3鋼102的開發(fā)

多元復合強化耐熱鋼，主要用于壁溫≤600℃的過熱器、再熱器管。373.1.1.3鋼102的開發(fā)

多元復合強化耐熱鋼

3.1.1.4T23（HCM2S）、T24鋼的開發(fā)

★T23、T24鋼是超超臨界鍋爐上部水冷壁的最佳選擇材料；并可應(yīng)用于壁溫≤600℃的高溫過熱器、再熱器管。P23可以用于壁溫≤600℃的聯(lián)箱。

383.1.1.4T23（HCM2S）、T24鋼的開發(fā)

3.1.1.5F11、F12的開發(fā)

德國于60年代開發(fā)，用于壁溫達610℃的過熱器和壁溫達650℃的再熱器以及壁溫為540℃～560℃的聯(lián)箱和蒸汽管道，但其含碳量高，焊接性差。目前已不生產(chǎn)。393.1.1.5F11、F12的開發(fā)

德國于60年代開3.1.1.6典型的新型鐵素體耐熱鋼T91/P91鋼的開發(fā)

T91/P91鋼的研制成功具有劃時代意義。成功地把電站鍋爐蒸汽溫度參數(shù)提高到593℃～610℃。403.1.1.6典型的新型鐵素體耐熱鋼T91/P91鋼的開3.1.1.7T92/P92、T122/P122、E911鋼的開發(fā)

在腐蝕條件比較小的情況下，僅從蠕變斷裂強度考慮，T92、T12、E911在壁溫≤620℃時完全可以取代超臨界和超超臨界鍋爐中過熱器、再熱器的奧氏體鋼管。P92、P122、E911可用于壁溫≤620℃時的主蒸汽管道。413.1.1.7T92/P92、T122/P122、E

圖3.1許用應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線

42

圖3.1許用應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線

42表3.2T92與奧氏體鋼在高溫下許用應(yīng)力的對比許用應(yīng)力（Kg/cm2）600℃625℃650℃NF6168.76.84.8SUS321H6.95.23.9SUS347H7.85.74.2NF616/SUS321H1.261.311.23NF616/SUS347H1.121.191.14

43表3.2T92與奧氏體鋼在高溫下許用應(yīng)力的對比許用應(yīng)力6

圖3.2主蒸汽管選用材料的比較

44圖3.2主蒸汽管選用材料的比較44

3.1.1.8NF12、SAVE12新型鐵素體耐熱鋼的開發(fā)

NF12、SAVE12鋼是為了提高超超臨界鍋爐效率正在開發(fā)的能夠用于650℃的鐵素體耐熱鋼。45

3.1.1.8NF12、SAVE12

3.3典型的鐵素體耐熱鋼蠕變斷裂強度

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3.3典型的鐵素體耐熱鋼蠕變斷裂強度4647473.1.2奧氏體鋼

奧氏體鋼的發(fā)展見圖3.5

483.1.2奧氏體鋼

奧氏體鋼的發(fā)展見圖3.548494950503.1.2.1新型細晶奧氏體耐熱鋼Super304H的開發(fā)

Super304H是TP304H的改進型，添加了3％Cu和0.4％Nb獲得了極高的蠕變斷裂強度，600-650℃許用應(yīng)力比TP304H高30%，是超超臨界鍋爐過熱器、再熱器的首選材料。513.1.2.1新型細晶奧氏體耐熱鋼Super304H的開發(fā)3.1.2.2TP347HFG的開發(fā)

TP347HFG鋼是通過特定的熱加工和熱處理工藝得到的細晶奧氏體耐熱鋼。比TP347H粗晶鋼的許用應(yīng)力高20%以上。TP347HFG鋼抗蒸汽氧化能力強，已被廣泛應(yīng)用于超超臨界機組鍋爐過熱器、再器熱管。

523.1.2.2TP347HFG的開發(fā)

TP343.1.2.3HR3C鋼的開發(fā)

HR3C是日本住友金屬命名的鋼牌號，在日本JIS標準中的材料牌號為SUS310JITB，正在ASME標準中的材料牌號為TP310NbＮ。HR3C鋼是TP310耐熱鋼的改良鋼種。在TP347H耐熱鋼乃至新型奧氏體耐熱鋼Susper304H和TP347HFG鋼不能滿足向火側(cè)抗煙氣腐蝕和內(nèi)壁抗蒸汽氧化的工況下，應(yīng)選用HR3C耐熱鋼。

533.1.2.3HR3C鋼的開發(fā)

HR3C是日本住友金屬

3.2超臨界、超超臨界鍋爐關(guān)鍵承壓部件用鋼要求

鍋爐中關(guān)鍵承壓部件包括水冷壁、過熱器、再熱器、聯(lián)箱及管道等。

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3.2超臨界、超超臨界鍋爐關(guān)鍵承壓部件用鋼要求

鍋爐中關(guān)3.2.1.水冷壁

★T23（HCM2S）/T24（7CrMoVTiB10-10）許用金屬壁溫可達600℃，是蒸汽溫度620℃以下鍋爐上部水冷壁的最佳用鋼。

553.2.1.水冷壁

★T23（HCM2S）/T24（7Cr水冷壁材料蠕變斷裂強度

56水冷壁材料蠕變斷裂強度

563.2.2過熱器、再熱器

★過熱器、再熱器管的金屬壁溫比蒸汽溫度高出達25℃~39℃（我國規(guī)定為50℃）。

★在燃煤含硫量低、煙氣腐蝕性較小的條件下，僅從蠕變斷裂強度考慮，當蒸汽溫度為538℃（壁溫580℃），選用T22鋼；573.2.2過熱器、再熱器

★過熱器、再熱器管的金屬壁溫比

當蒸汽溫度為565℃時（壁溫600℃），選用T23、T91鋼管；當蒸汽溫度為593℃時（壁溫620℃），選用T92、P122、E911鋼管。然而，在有腐蝕的條件下，即使最好的鐵素體鋼管也要受限于565℃的蒸汽溫度，此時要選用奧氏體鋼管。58當蒸汽溫度為565℃時（壁溫600℃），選用T23、T9★采用含硫量高、腐蝕性大的燃煤時，在壁溫≥600℃時，應(yīng)選擇TP304H、

TP321H、TP316H、TP347H奧氏體耐熱鋼。當蒸汽溫度≥600℃（壁溫≥650℃）時應(yīng)選擇細晶奧氏體耐熱鋼Super304H和TP347HFG。當壁溫達700℃時，只能選用高鉻耐熱鋼NF709、SAVE25和HR3C等。

59★采用含硫量高、腐蝕性大的燃煤時，在壁溫≥600℃時，應(yīng)選擇

18Cr-8Ni和15Cr鋼許用應(yīng)力的比較

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18Cr-8Ni和15Cr鋼許用應(yīng)力的比較

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含鉻量20%以上的高鉻奧氏體合金許用應(yīng)力的比較

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含鉻量20%以上的高鉻奧氏體合金許用應(yīng)力的比較

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許用應(yīng)力為49MPa時許用溫度與鉻含量

的關(guān)系比較

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許用應(yīng)力為49MPa時許用溫度與鉻含量

的關(guān)系比較

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鐵素體鋼熱腐蝕重量損失和溫度的關(guān)系

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鐵素體鋼熱腐蝕重量損失和溫度的關(guān)系

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各種合金熱腐蝕重量損失和Cr含量的關(guān)系

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各種合金熱腐蝕重量損失和Cr含量的關(guān)系64

各種合金火側(cè)抗腐蝕性能比較

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各種合金火側(cè)抗腐蝕性能比較

653.2.3.聯(lián)箱與管道

★蒸汽管道和聯(lián)箱等厚壁承壓部件，為了減少熱疲勞損傷和提高蠕變強度，其用鋼主要集中在熱膨脹系數(shù)小的9~12%Cr鐵素體耐熱鋼的發(fā)展。

★當壁溫≤600℃時，選用P91鋼；當壁溫≤620℃時，選用P92、P122和E911鋼；當壁溫≤650℃時，選用NF12和SAVE12鋼。

663.2.3.聯(lián)箱與管道

★蒸汽管道和聯(lián)箱等厚壁承壓部件，

鐵素體耐熱鋼的許用應(yīng)力

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鐵素體耐熱鋼的許用應(yīng)力

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設(shè)計溫度為570℃和600℃的主蒸汽管道許用應(yīng)力比較

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設(shè)計溫度為570℃和600℃的主蒸汽管道許用應(yīng)力比較68

31MPa時P-22、P-91、P-122鋼聯(lián)箱材料的價格比較

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31MPa時P-22、P-91、P-122鋼聯(lián)箱材料的SC/USC鍋爐承壓部件用鋼選擇承壓部件超臨界超超臨界水冷壁T1,T2,T11T1,T2,T11；T23/T24過熱器再熱器T12,T23,T91,TP304H,TP347HT12,T23,T91,Super304H,TP347HFG,HR3C主汽P91P92/P122/E911再熱冷段Al672B70CL32A691Cr1-1/4CL22再熱熱段P91P91給水管道WB36WB3670SC/USC鍋爐承壓部件用鋼選擇承壓部件超臨界超超臨界水冷壁71717272737374747575767677777878797980803.3新型耐熱鋼的應(yīng)用概況

813.3新型耐熱鋼的應(yīng)用概況81我國超臨界機組應(yīng)用新型耐熱鋼概況

82我國超臨界機組應(yīng)用新型耐熱鋼概況

82新型耐熱鋼在日本超超臨界機組中的應(yīng)用

83新型耐熱鋼在日本超超臨界機組中的應(yīng)用83新型耐熱鋼在歐洲超超臨界機組中的應(yīng)用

84新型耐熱鋼在歐洲超超臨界機組中的應(yīng)用844.火電大機組焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

854.火電大機組焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢85

4.火電大機組焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

4.1電力行業(yè)焊接P91新型鐵素體耐熱鋼的歷史回顧

4.2新型鐵素體耐熱鋼的焊接性

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4.火電大機組焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

4.1電4.2.1.焊縫韌性低

影響P91鋼焊縫韌性的因素分析及改善的途徑

（1）焊接方法的影響

874.2.1.焊縫韌性低

影響P91鋼焊縫韌性的因素分析888889899090

（2）焊縫化學成分的影響

91（2）焊縫化學成分的影響919292（3）預熱、層間溫度的影響

★預熱溫度和層間溫度是通過降低焊接殘余應(yīng)力，減緩馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度，防止生成粗大的馬氏體，而達到防止焊縫產(chǎn)生冷裂紋的目的。

93（3）預熱、層間溫度的影響

★預熱溫度和層間溫度是通過降低對于P91這類新型耐熱鋼來說應(yīng)必須嚴格限制其預熱溫度和層間溫度不能超過工藝評定規(guī)定的溫度，過高的預熱溫度和層間溫度不僅對防止裂紋來說沒有必要，反而有可能使焊縫韌性和接頭蠕變強度達不到要求。94對于P91這類新型耐熱鋼來說應(yīng)必須嚴格限制其預熱溫度和層間溫圖4.2焊接熱循環(huán)圖95圖4.2焊接熱循環(huán)圖95（4）焊接線能量的影響

96（4）焊接線能量的影響96

E=60UI/V（J/cm）

E—焊接線能量（J/cm）

U—電弧電壓（V）

I—電流（A）

V—焊接速度（cm/min）

97E=60UI/V（J/cm）

E—焊接線能量（J焊接線能量大，焊縫金屬在高溫（1100℃以上）停留時間長，晶粒長大變脆，致使焊縫韌性降低。

98焊接線能量大，焊縫金屬在高溫（1100℃以上）停留時間長，晶由線能量公式分析可以看出，因手工電弧焊均采用短弧焊，電弧電壓一般為20伏～24伏不變，可假設(shè)電弧電壓為常數(shù)。降低焊接線能量，要綜合考慮調(diào)節(jié)焊接電流和焊接速度兩個參數(shù)，不能單純的降低焊接電流。

99由線能量公式分析可以看出，因手工電弧焊均采用短弧焊，電弧電壓若焊接電流降得過低，由于熔池的鐵水黏度大，流動性差，易造成未焊透、未熔合、夾渣等缺陷。焊接電流應(yīng)控制在保證鐵水拉得開，熔池清晰，熔合良好，在此前提下，提高焊接速度，減少焊層厚度，達到降低焊接線能量的目的，因此焊層厚度是焊接線能量的直觀反應(yīng)。

100若焊接電流降得過低，由于熔池的鐵水黏度大，流動性差，易造成未

圖4.3P91模擬熱循環(huán)試樣韌性與t8/5的關(guān)系101

101（5）焊后熱處理規(guī)范的影響

102（5）焊后熱處理規(guī)范的影響102

圖4.4在RT下純焊縫金屬PWHT條件（溫度/時間）對焊縫沖擊韌性的影響

103

圖4.4在RT下純焊縫金屬PWHT條件（

圖4.4埋弧焊與手工焊熱處理時間與焊縫金屬韌性之間的關(guān)系

104

圖4.4埋弧焊與手工焊熱處理時間與焊縫金屬105105熱處理方面存在的問題

1、遠紅外線加熱的內(nèi)外壁溫差大

2、控制設(shè)備落后

3、熱電偶不定時校定

4、熱電偶的固定方法不當

5、不同焊接位置的熱傳導問題注意不夠106熱處理方面存在的問題

1、遠紅外線加熱的內(nèi)外壁溫差大

2、4.2.2焊接冷裂紋

圖4.1（a）T23、P91鋼和P22鋼焊接接頭斜Y型坡口試驗裂紋率與預熱溫度間的關(guān)系

4.2.2.焊接冷裂紋1074.2.2焊接冷裂紋

圖4.1（a）T23、P91鋼和

圖4.1（b）P22（HCM12A）鋼與P91鋼焊接接頭斜Y型坡口試驗裂紋率與預熱溫度間的關(guān)系

108

圖4.1（b）P22（HCM12A）鋼與

圖4.1（c）P92鋼（NF616）鋼焊接接頭斜Y型坡口試驗裂紋率與預熱溫度間的關(guān)系

109

圖4.1（c）P92鋼（NF616）鋼對冷裂紋敏感性是按：T23→P92→P122→P91→P22的順序增高；而合金含量是按P22→T23→P91→P92→P122的順序增加的。顯然這與采用傳統(tǒng)碳當量評估冷裂紋結(jié)果完全

不一致。

110對冷裂紋敏感性是按：T23→P92→P122→P91→P22

防止P91鋼焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋的措施：

（1）嚴格控制預熱溫度和層間溫度

（2）嚴格控制焊縫的含氫量，防止氫致延遲裂紋的產(chǎn)生

（3）減少焊接缺陷，降低焊接接頭應(yīng)力狀態(tài)

111防止P91鋼焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋的措施：

（1）嚴格控制預4.2.3焊接熱影響區(qū)的軟化

通過熱處理強化的鐵素體鋼，由于低于臨介溫度的過回火作用或在臨界溫度范圍內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的變化，在HAZ外端的硬度會下降，在對焊接接頭進行高溫持久強度試驗時，往往斷在這個部位，該部位稱作軟化帶，焊接接頭軟化帶的高溫持久強度與母材同一溫度的持久強度的比值稱作熱強系數(shù)。1124.2.3焊接熱影響區(qū)的軟化

通過熱處理強化的鐵素體鋼，由113113非均質(zhì)的焊接接頭中會發(fā)生相鄰的“強區(qū)”對“軟化帶”的“約束強化”作用。采用小的焊接線能量焊接，可有效的減小“軟化帶”的寬度，從而起到“約束強化”作用。114非均質(zhì)的焊接接頭中會發(fā)生相鄰的“強區(qū)”對“軟化帶”的“約束強4.2.4熱影響區(qū)的Ⅳ型裂紋

P91這類鐵素體耐熱鋼在高溫長期運行中，往往會在焊接熱影響區(qū)的“細晶區(qū)”（AC3附近或AC3—AC1區(qū)間）出現(xiàn)一種無明顯塑性變形的低應(yīng)力蠕變斷裂，造成焊接接頭蠕變斷裂壽命低于母材的現(xiàn)象。英國人按裂紋產(chǎn)生位置分類方法，稱這種裂紋為Ⅳ型裂紋。1154.2.4熱影響區(qū)的Ⅳ型裂紋

P91這類鐵素體耐熱在焊縫范圍內(nèi)發(fā)生的裂紋稱為Ⅰ型裂紋；在焊縫內(nèi)發(fā)生，但可延伸到熱影響區(qū)的裂紋，稱為Ⅱ型裂紋；在鄰近熔合區(qū)的熱影響區(qū)發(fā)生的裂紋，稱為Ⅲ型裂紋；在鄰近母材的熱影響區(qū)發(fā)生的裂紋稱為Ⅳ型裂紋。

116在焊縫范圍內(nèi)發(fā)生的裂紋稱為Ⅰ型裂紋；在焊縫內(nèi)發(fā)生，但

焊接接頭裂紋的分類117焊接接頭裂紋的分類117關(guān)于Ⅳ型裂紋形成的機理，目前尚無定論，近期研究結(jié)果提出系列理論，如合金元素偏聚、碳化物粗化，Laves相沉淀、亞結(jié)構(gòu)粗化、蠕變孔洞的形成、位錯密度降低等。

118關(guān)于Ⅳ型裂紋形成的機理，目前尚無定論，近期研究結(jié)果提出系列理為了防止產(chǎn)生Ⅳ型裂紋，焊接時在保證熔化良好，不生產(chǎn)焊接冷裂紋的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量不采用過高的預熱及層間溫度，不采用過大的焊接線能量，采取多層多道焊，焊層厚度為2~3mm，確保上層焊道對下層焊道的回火作用，盡力使熱影響區(qū)Ⅳ型裂紋區(qū)變得窄一些，Ⅳ型裂紋區(qū)寬度越窄，其拘束強化作用越強，產(chǎn)生Ⅳ型裂紋的可能性越小。另外，還可以通過接頭設(shè)計和制造過程中的一些措施得到緩解。

119為了防止產(chǎn)生Ⅳ型裂紋，焊接時在保證熔化良好，不4.2.5 P92鋼焊縫的時效P92鋼焊縫的時效傾向1204.2.5 P92鋼焊縫的時效P92鋼焊縫的時效傾向1204.3P91、P92鋼焊接

工藝要領(lǐng)

4.3.1.推薦的P91、P92鋼焊接熱處理熱循環(huán)曲線如圖4.7所示1214.3P91、P92鋼焊接

工藝圖4.7焊接熱處理熱循環(huán)曲線圖

122圖4.7焊接熱處理熱循環(huán)曲線圖1224.3.2.選擇焊接材料的原則

（1）保證具有和母材相當?shù)奈锢硇阅芎统?、高溫力學性能。

（2）純焊縫金屬的AC1應(yīng)與母材相當，且Creq<10。

（3）焊縫的含氫量應(yīng)符合堿性低氫型焊接材料標準。

（4）焊接操作性能優(yōu)良、工藝性能好。

1234.3.2.選擇焊接材料的原則

（1）保證具有和母材4.3.3.推薦選用Ф2.5mm的焊絲打底，Ф2.5mm、Ф3.2mm的小直徑焊條填充蓋面。施焊前，焊接材料要嚴格按使用說明書規(guī)定，置于專用的烘箱內(nèi)烘焙，施焊時，應(yīng)放入80℃~120℃的便攜式保溫筒內(nèi)隨用隨取。

1244.3.3.推薦選用Ф2.5mm的焊絲打底，Ф2.5mm、

4.3.4焊接過程中要嚴格控制層間溫度為200℃~300℃。

4.3.5.注意熱電偶的安裝位置，并固定牢固，確保測溫的準確。1254.3.4焊接過程中要嚴格控制層間溫度為200℃~3004.3.6.焊接時要采用小線能量，線能量控制在15kJ/cm～20kJ/cm范圍內(nèi)，多層多道焊，焊道厚度控制在2mm～3mm為宜，焊道寬度根據(jù)焊工技藝水平和電流大小確定，并且蓋面層焊退火焊道。

4.3.7.焊后熱處理參數(shù)要嚴格按焊接材料說明書提供的參數(shù)確定，并通過工藝評定驗證。1264.3.6.焊接時要采用小線能量，線能量控制在15kJ/c4.3.8.當焊接頭不能及時進行熱處理時，應(yīng)于焊后即時加熱溫度為350℃,恒溫1小時的后熱處理。

4.3.9.焊接完畢，焊工、焊接質(zhì)檢員要嚴格按標準進行焊縫外觀檢驗，外觀質(zhì)量合格后，方可進行無損、硬度、金相組織檢驗。

1274.3.8.當焊接頭不能及時進行熱處理時，應(yīng)于焊后即時加熱4.3.10.返修焊補的焊接接頭，必須重新進行焊后熱處理和無損、硬度檢驗。且同一焊縫返修不得超過兩次，否則應(yīng)割掉重新焊接。

4.3.11.異種鋼焊接，要嚴格按“火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程”選擇焊接材料，確定焊接工藝和熱處理工藝。

1284.3.10.返修焊補的焊接接頭，必須重新進行焊后熱處理和4.4新型奧氏體耐熱鋼的焊接性分析、焊接技術(shù)難點及解決思路

過熱器、再熱器用鋼

Super304H

TP347HFGHR3C1294.4新型奧氏體耐熱鋼的焊接性分析、焊接技術(shù)難點及解決思路Super304H、TP347HFG和HR3C鋼的焊接技術(shù)難點是：

焊接接頭有應(yīng)力腐蝕裂紋傾向；焊縫接頭有熱裂紋傾向；焊接接頭的時效和σ相脆化大量的異種鋼焊接問題；聯(lián)箱管接頭角焊縫的焊接質(zhì)量控制；角焊縫的檢驗方法。

以上焊接難點均要在鍋爐制造過程中解決，不應(yīng)將異種鋼焊接問題帶到安裝現(xiàn)場。但電廠在將來的檢修中還會遇到這些問題。130Super304H、TP347HFG和HR3C鋼的焊接技術(shù)難5.我國電站焊接技術(shù)發(fā)展中需要研究的若干問題1315.我國電站焊接技術(shù)發(fā)展中需要研究的若干問題1315.1關(guān)于電站鍋爐用鋼技術(shù)發(fā)展的跟蹤與認識問題

1325.1關(guān)于電站鍋爐用鋼技術(shù)發(fā)展的跟蹤與認識問題

1325.1.1電站鍋爐用鋼焊接性評估方法及馬氏體耐熱鋼韌性評價問題

傳統(tǒng)的碳當量計算式不能用來評估這類鋼的裂紋傾向即焊接性。

P91這類耐熱鋼均是低碳馬氏體組織，經(jīng)過焊后熱處理，這類鋼的焊縫組織為低碳回火馬氏體，焊縫韌性很好。

1335.1.1電站鍋爐用鋼焊接性評估方法及馬氏體耐熱鋼韌性評價在新型耐熱鋼焊接性評估技術(shù)方面不僅要重視采用間接估算方法，而且更應(yīng)重視直接的焊接性試驗方法；不僅要重視工藝焊接性，還應(yīng)重視使用焊接性。134在新型耐熱鋼焊接性評估技術(shù)方面1345.1.2新型耐熱鋼及其焊接試驗的研究問題

－新型耐熱鋼的合金化原理、冶金特點

－新型耐熱鋼的常溫及高溫性能

－新型耐熱鋼及其異種鋼的焊接性、焊接工藝及焊后熱處理工藝

－新型耐熱鋼的熱加工性能及工藝

－新型耐熱鋼及其焊接接頭的服役后組織和性能的變化規(guī)律及壽命評估

－新型耐熱鋼匹配的焊接材料

1355.1.2新型耐熱鋼及其焊接試驗的研究問題

－新型耐熱鋼的5.2關(guān)于耐熱鋼焊接工藝實施中的問題

5.2.1控制焊前預熱溫度和焊接層間溫度的問題

對于P91這類新型耐熱鋼來說應(yīng)必須嚴格限制其預熱溫度和層間溫度不能超過工藝評定規(guī)定的溫度，過高的預熱溫度和層間溫度不僅對防止裂紋來說沒有必要，反而有可能使焊縫韌性和接頭蠕變強度達不到要求。1365.2關(guān)于耐熱鋼焊接工藝實施中的問題

5.2.1控制焊5.2.2新型耐熱鋼焊接線能量問題

焊接時要采用小線能量，線能量控制在15kJ/cm～20kJ/cm范圍內(nèi)，多層多道焊，焊道厚度控制在2mm～3mm為宜，焊道寬度根據(jù)焊工技藝水平和電流大小確定，并且蓋面層焊退火焊道。1375.2.2新型耐熱鋼焊接線能量問題

焊接時要采用小線能量5.3關(guān)于焊接人員培訓問題

5.3.1關(guān)于焊工培訓問題

對焊工培訓考核的前提—必須按照合格的焊接工藝評定進行培訓考核

DL/T679-1999焊工技術(shù)考核規(guī)程

DL/T868-2004焊接工藝評定規(guī)程

應(yīng)遵守上述規(guī)程

1385.3關(guān)于焊接人員培訓問題

5.3.1關(guān)于焊工培訓問題

5.3.2關(guān)于電力建設(shè)單位高溫高壓（I類）焊工的儲備問題

5.3.3關(guān)于完善和改進焊工操作手法的問題

改變50年來形成的“大電流、斷弧焊、大線能量、厚焊層、寬擺幅”的操作手法。

掌握“小線能量、快速連弧、小擺幅、薄焊層、多層多道焊”的操作方法。

1395.3.2關(guān)于電力建設(shè)單位高溫高壓（I類）焊工的儲備問題5.3.4關(guān)于電站焊接技術(shù)和質(zhì)量管理人員繼續(xù)教育的問題

把學習的重點放在對新型耐熱鋼及其焊接技術(shù)的學習和實踐上1405.3.4關(guān)于電站焊接技術(shù)和質(zhì)量管理人員繼續(xù)教育的問題

5.4關(guān)于鍋爐安裝中“鏡面”焊接數(shù)量的問題

這個問題需要業(yè)主、鍋爐設(shè)計、安裝單位、制造單位共同協(xié)作解決，以優(yōu)化設(shè)計、困難位置焊口盡量工廠化焊接及合理的安裝順序等，使“鏡面”焊接量降到最低程度1415.4關(guān)于鍋爐安裝中“鏡面”焊接數(shù)量的問題

這個問題需要5.5關(guān)于避免合金成分相差較大的厚壁異種鋼焊接接頭的問題 由于鍋爐設(shè)計部門和四大管道設(shè)計部門難以進行有效協(xié)調(diào)與溝通，從而會出現(xiàn)過熱器出口聯(lián)箱與主蒸汽管道及高溫高壓閥體等構(gòu)件材質(zhì)不同，不但造成壁厚變化的變徑管，而且在壓力最大溫度最高的接口處出現(xiàn)厚壁異種鋼焊接接頭，這類焊縫容易在運行中發(fā)生早期失效，成為被關(guān)注的安全隱患之一。1425.5關(guān)于避免合金成分相差較大的厚壁異種鋼焊接接頭的問題15.6關(guān)于火電廠焊縫質(zhì)量合格標準問題

合格率的含義除包含無損檢測一次合格率外，還應(yīng)包含“使用性能合格率”。就是確保施工時的焊接工藝與焊接工藝評定時完全一致。1435.6關(guān)于火電廠焊縫質(zhì)量合格標準問題1435.7關(guān)于電站設(shè)備構(gòu)件焊縫金屬韌性問題

為了保證在常溫或低溫下進行運輸、吊裝、水壓試驗、機組的啟停和檢修時的安全，不發(fā)生脆性破壞，必須保證焊縫和部件的韌性水平。5.8關(guān)于焊接工藝及質(zhì)量監(jiān)控問題5.9T91/P91這類新型熱強鋼焊縫無損檢測技術(shù)問題1445.7關(guān)于電站設(shè)備構(gòu)件焊縫金屬韌性問題144學習—焊接技術(shù)人員、焊工、熱處理人員、質(zhì)檢人員及無損檢驗人員都要再學習，進行知識更新。

交流—單位之間要互相交流，發(fā)揚電站焊接界先進經(jīng)驗大家學的優(yōu)良傳統(tǒng)。

誠信—在市場經(jīng)濟條件下，是要講效益的，單位之間、朋友之間首先要講誠信，真正做到“生財有道”。

學習?交流?誠信

145學習—焊接技術(shù)人員、焊工、熱處理人員、質(zhì)檢人員及無附錄1P91鋼冷卻轉(zhuǎn)變曲線

146附錄1P91鋼冷卻轉(zhuǎn)變曲線

14606十一月2022超臨界鍋爐用新型耐熱鋼的焊接及熱處理02十一月2022超臨界鍋爐用新型耐熱鋼的焊接及熱處理147提要：

帶來的問題中國選擇的解決辦法

發(fā)展火電環(huán)保超(超)

主要技術(shù)難題

臨界機組材料、焊接及熱處理技術(shù)

148提要：

帶來的問題中國選擇的解決辦法

發(fā)

1、引言

中國電力工業(yè)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

年代裝機容量

1949年末184.86萬千瓦

1980年6500萬千瓦

1987年1億千瓦

1995年2億千瓦

2000年3億千瓦

2004年4.4億千瓦

2005年5.17億千瓦

149

1、引言

中國電力工業(yè)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

★2005年發(fā)電量達24747億千瓦時。其中火電24975億千瓦時，水電3952億千瓦時，核電523億千瓦時。

全國發(fā)電裝機容量和全年發(fā)電量均居世界第二位。

但是我國年人均用電量為1894.17千瓦時，相當于美國的1/7，日本的1/4，韓國的1/3。年人均生活用電量僅為217千瓦時,相當于美國的1/20，日本1/10。

因此發(fā)展仍然是電力工業(yè)首要的和長期的任務(wù)。150★2005年發(fā)電量達24747億千瓦時。其中火電24975億截止2005年底火電裝機100MW~199MW燃煤火電機組447臺200MW~299MW燃煤火電機組225臺300MW~399MW燃煤火電機組339臺（含超臨界300MW×4）500MW~900MW燃煤火電機組83臺（含超臨界500MW×4，600MW×10，800MW×2，900MW×2）全國裝機容量超過1000MW電廠130座，其中火電104座，水電22座，核電4座151截止2005年底火電裝機5★2020年全社會用電達到45000～52000億千瓦時左右,需要裝機11億千瓦左右。

我國電力發(fā)展的基本方針是:提高能源效率，保護生態(tài)環(huán)境，加強電網(wǎng)建設(shè)，大力開發(fā)水電，優(yōu)化發(fā)展煤電，積極發(fā)展核電，適度發(fā)展天然氣發(fā)電，鼓勵新能源發(fā)電。我國能源以煤碳為主，所以我國的能源發(fā)展政策是煤為主體，電為中心，保障社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。優(yōu)化發(fā)展煤電，主要是提高燃煤發(fā)電機組的效率和減少污染物的排放。

152★2020年全社會用電達到45000～52000億千瓦時左右發(fā)展燃煤發(fā)電機組，必然帶來巨大的環(huán)境壓力，煙氣排放中會有更多的SOx、Nox和CO2，并排出大量的灰渣和污水。2005年我國煤炭年產(chǎn)量為21.9億噸，但火力發(fā)電用煤約占全國煤炭總產(chǎn)量的50%，燃煤發(fā)電產(chǎn)生的灰渣約占全國灰渣的70%、煙塵排放約占全國工業(yè)排放的33%、二氧化硫排放約占全國工業(yè)排放的56%。優(yōu)化發(fā)展煤電，提高火電機組效率、減少污染的潔凈煤發(fā)電技術(shù)有：循環(huán)流化床（CFBC）、增壓流化床（PFBC）、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）及超臨界（SC）與超超臨界（USC）。

1537

但是，CFBC、PFBC、IGCC等技術(shù)處于試驗或示范階段，在我國近期廣泛發(fā)展是不現(xiàn)實的。從技術(shù)難度和現(xiàn)實性看，SC和USC配以常規(guī)的煙氣凈化裝置已公認是一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)，是優(yōu)化煤電結(jié)構(gòu)的主要方向。符合當前中國的實際情況。

1548亞臨界火電機組蒸汽參數(shù)：P=16~19MPa，T=538℃/538℃或T=540℃/540℃。當蒸汽參數(shù)超過水臨界狀態(tài)點的參數(shù)（P=22.129MPa，T=374.12℃），統(tǒng)稱為超臨界機組，（Supercritical）以（SC）表示。一般超臨界機組的蒸汽壓力為24~26MPa，其典型參數(shù)：P=24.1MPa、538℃/538℃；我國正在建造的600MW超臨界機組的參數(shù)為：P=25.4MPa、538℃/566℃；或

P=25.4MPa、566℃/566℃。155亞臨界火電機組蒸汽參數(shù)：P=16~199超超臨界機組實際上是在超臨界機組參數(shù)的基礎(chǔ)上進一步提高蒸汽壓力和溫度，國際上通常把主蒸汽壓力在24.1~31MPa、主蒸汽/再熱蒸汽溫度為580℃~600℃/580℃~610℃機組定義為高效超臨界機組，即通常所說的超超臨界（USC）機組。國內(nèi)正在建設(shè)的超超臨界機組（USC）的主蒸汽P=25~26.5MPa、T=600℃/600℃。156超超臨界機組實際上是在超臨界機組參數(shù)的2010年前預計建造：600MW超臨界機組約130臺

超超臨界機組 600MW10臺（營口2臺，闞山2臺，河源2臺，蕪湖2臺，鐵嶺2臺） 1000MW38臺（玉環(huán)4臺，鄒縣2臺，外高橋三期2臺，泰州2臺，寧海2臺，綏中2臺，海門2臺，平海2臺，萊州2臺，天津北疆4臺，句容2臺，蒲圻2臺，北侖港2臺，哈三2臺，諫壁2臺，古城2臺，烏沙山2臺,寧德2臺）1572010年前預計建造：11

2.發(fā)展高效率、高參數(shù)、大容量SC、USC機組是當代世界火力發(fā)電的共同發(fā)展趨勢

2.1火電機組鍋爐蒸汽溫度、壓力參數(shù)的發(fā)展和選用

158

2.發(fā)展高效率、高參數(shù)、大容量SC、USC機組是當代世界表2.1蒸汽參數(shù)與機組效率關(guān)系（IHI提供）型式亞臨界變壓超臨界定壓變壓蒸汽參數(shù)（滿負荷）169Kg/cm2538/538℃246Kg/cm2538/538℃246Kg/cm2538/538℃效率100%負荷基準+1.7%+1.7%+2.4%50%負荷基準+0.4%+2.3%+3.0%159表2.1蒸汽參數(shù)與機組效率關(guān)系（IHI提供）型式亞臨界變圖2.1蒸汽參數(shù)與機組效率的關(guān)系（三菱提供）160圖2.1蒸汽參數(shù)與機組效率的關(guān)系（三菱提供）14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.（見表1.1蒸汽參數(shù)與火電廠效率、供電煤耗關(guān)系）161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16216

IHI公司和三菱公司蒸參數(shù)選用的發(fā)展歷史分別見圖2.2、圖2.3。

圖2.2IHI公司鍋爐蒸汽參數(shù)發(fā)展歷史163

IHI公司和三菱公司蒸參數(shù)選用的發(fā)展歷史分別見圖圖2.3三菱重工公司鍋爐蒸汽參數(shù)發(fā)展歷史

164圖2.3三菱重工公司鍋爐蒸汽參數(shù)發(fā)展歷史

18

165

1916620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、高壓及焊接、熱處理問題

。167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、高壓及焊接、★由于具有劃時代意義的T91/P91鋼的研制成功，到20世紀90年代初和90年代末，電站鍋爐蒸汽溫度參數(shù)分別達到593℃和610℃。顯而易見，從20世紀50年代初到90年代末的40年間，電站鍋爐用耐熱鋼發(fā)生了一場質(zhì)的變革，這也必然促進了電站焊接技術(shù)的發(fā)展。

168★由于具有劃時代意義的T91/P91鋼的研制成功，到20世紀★我國正在建設(shè)的300MW及以上的亞臨界、超臨界火電機組，已經(jīng)采用了這種新型細晶強韌化鐵素體耐熱鋼系列中的SA213-T91、SA335-P91；將要建設(shè)的USC火電機組還要大量采用這種新型細晶強韌化鐵素體耐熱鋼系列中的SA213-T91、T92、E911、T122；SA335-P91、P92、P122及新型奧氏體耐熱鋼Super304H、TP347HFG、HR3C。

169★我國正在建設(shè)的300MW及以上的亞臨界、超臨界火電機組，已★廣大電站焊接工作者必須轉(zhuǎn)變幾十年來焊接傳統(tǒng)的低合金耐熱鋼形成的觀念。對這種新型耐熱鋼的強化機理、焊接性、焊接工藝、熱處理工藝、檢驗方法、焊工培訓及焊接管理等方面進行深入的研究和實踐，加大電站焊接科研力度，加大對焊接及相關(guān)專業(yè)人員的技術(shù)培訓，進一步提高專業(yè)技術(shù)素質(zhì)，以保證我國火電發(fā)展目標的實現(xiàn)。

170★廣大電站焊接工作者必須轉(zhuǎn)變幾十年來焊接傳統(tǒng)的低合金耐熱鋼形2.2我國與國外在超臨界機、超超臨界機組方面的比較

1712.2我國與國外在超臨界機、超超臨界機組方面的比較

25

172

2國家科技部863計劃“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”課題研究結(jié)論：推薦現(xiàn)階段我國發(fā)展超超臨界機組參數(shù)為：25MPa~28MPa，溫度為600℃/600℃，一次再熱。173國家科技部863計劃“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”課題研究目前世界上運行的超臨界及以上參數(shù)機組大約有600臺，其中美國170臺，日本、歐洲各60臺，俄羅斯及原東歐國家280余臺；有10臺1000MW級的超超臨界機組已投入運行。174目前世界上運行的超臨界及以上參數(shù)機組大約有600臺，

17529★由此可見，我國在發(fā)展超臨界、超超臨界機組方面，特別是在國產(chǎn)化方面與國外先進國家還有相當大的差距。

176★由此可見，我國在發(fā)展超臨界、超超臨界機組方面，特別是在國產(chǎn)3.

SC、USC鍋爐用鋼發(fā)展趨勢

1773.SC、USC鍋爐用鋼發(fā)展趨勢

313.1鍋爐用鋼的發(fā)展歷程

3.1.1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、Ｗ、Ｃo等合金元素，６００℃１０５小時的蠕變斷裂強度由35Mpa級向60MPa級、100MPa級、140MPa級、180MPa級發(fā)展。1783.1鍋爐用鋼的發(fā)展歷程

3.1.1鐵素體鋼

179

3318034

3.1.1.1低合金耐熱鋼

低合金耐熱鋼其含Cr≤3％，含Mo≤1%，是壁溫≤580℃的亞臨界以下參數(shù)鍋爐的常用鋼材。

181

3.1.1.1低合金耐熱鋼

低合金耐熱鋼其含Cr≤3.1.1.2EM12鋼的開發(fā)

60年代比利時開發(fā)，法國用于620℃的過熱器和再熱器管。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。1823.1.1.2EM12鋼的開發(fā)

60年代比利時3.1.1.3鋼102的開發(fā)

多元復合強化耐熱鋼，主要用于壁溫≤600℃的過熱器、再熱器管。1833.1.1.3鋼102的開發(fā)

多元復合強化耐熱鋼

3.1.1.4T23（HCM2S）、T24鋼的開發(fā)

★T23、T24鋼是超超臨界鍋爐上部水冷壁的最佳選擇材料；并可應(yīng)用于壁溫≤600℃的高溫過熱器、再熱器管。P23可以用于壁溫≤600℃的聯(lián)箱。

1843.1.1.4T23（HCM2S）、T24鋼的開發(fā)

3.1.1.5F11、F12的開發(fā)

德國于60年代開發(fā)，用于壁溫達610℃的過熱器和壁溫達650℃的再熱器以及壁溫為540℃～560℃的聯(lián)箱和蒸汽管道，但其含碳量高，焊接性差。目前已不生產(chǎn)。1853.1.1.5F11、F12的開發(fā)

德國于60年代開3.1.1.6典型的新型鐵素體耐熱鋼T91/P91鋼的開發(fā)

T91/P91鋼的研制成功具有劃時代意義。成功地把電站鍋爐蒸汽溫度參數(shù)提高到593℃～610℃。1863.1.1.6典型的新型鐵素體耐熱鋼T91/P91鋼的開3.1.1.7T92/P92、T122/P122、E911鋼的開發(fā)

在腐蝕條件比較小的情況下，僅從蠕變斷裂強度考慮，T92、T12、E911在壁溫≤620℃時完全可以取代超臨界和超超臨界鍋爐中過熱器、再熱器的奧氏體鋼管。P92、P122、E911可用于壁溫≤620℃時的主蒸汽管道。1873.1.1.7T92/P92、T122/P122、E

圖3.1許用應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線

188

圖3.1許用應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線

42表3.2T92與奧氏體鋼在高溫下許用應(yīng)力的對比許用應(yīng)力（Kg/cm2）600℃625℃650℃NF6168.76.84.8SUS321H6.95.23.9SUS347H7.85.74.2NF616/SUS321H1.261.311.23NF616/SUS347H1.121.191.14

189表3.2T92與奧氏體鋼在高溫下許用應(yīng)力的對比許用應(yīng)力6

圖3.2主蒸汽管選用材料的比較

190圖3.2主蒸汽管選用材料的比較44

3.1.1.8NF12、SAVE12新型鐵素體耐熱鋼的開發(fā)

NF12、SAVE12鋼是為了提高超超臨界鍋爐效率正在開發(fā)的能夠用于650℃的鐵素體耐熱鋼。191

3.1.1.8NF12、SAVE12

3.3典型的鐵素體耐熱鋼蠕變斷裂強度

192

3.3典型的鐵素體耐熱鋼蠕變斷裂強度46193473.1.2奧氏體鋼

奧氏體鋼的發(fā)展見圖3.5

1943.1.2奧氏體鋼

奧氏體鋼的發(fā)展見圖3.54819549196503.1.2.1新型細晶奧氏體耐熱鋼Super304H的開發(fā)

Super304H是TP304H的改進型，添加了3％Cu和0.4％Nb獲得了極高的蠕變斷裂強度，600-650℃許用應(yīng)力比TP304H高30%，是超超臨界鍋爐過熱器、再熱器的首選材料。1973.1.2.1新型細晶奧氏體耐熱鋼Super304H的開發(fā)3.1.2.2TP347HFG的開發(fā)

TP347HFG鋼是通過特定的熱加工和熱處理工藝得到的細晶奧氏體耐熱鋼。比TP347H粗晶鋼的許用應(yīng)力高20%以上。TP347HFG鋼抗蒸汽氧化能力強，已被廣泛應(yīng)用于超超臨界機組鍋爐過熱器、再器熱管。

1983.1.2.2TP347HFG的開發(fā)

TP343.1.2.3HR3C鋼的開發(fā)

HR3C是日本住友金屬命名的鋼牌號，在日本JIS標準中的材料牌號為SUS310JITB，正在ASME標準中的材料牌號為TP310NbＮ。HR3C鋼是TP310耐熱鋼的改良鋼種。在TP347H耐熱鋼乃至新型奧氏體耐熱鋼Susper304H和TP347HFG鋼不能滿足向火側(cè)抗煙氣腐蝕和內(nèi)壁抗蒸汽氧化的工況下，應(yīng)選用HR3C耐熱鋼。

1993.1.2.3HR3C鋼的開發(fā)

HR3C是日本住友金屬

3.2超臨界、超超臨界鍋爐關(guān)鍵承壓部件用鋼要求

鍋爐中關(guān)鍵承壓部件包括水冷壁、過熱器、再熱器、聯(lián)箱及管道等。

200

3.2超臨界、超超臨界鍋爐關(guān)鍵承壓部件用鋼要求

鍋爐中關(guān)3.2.1.水冷壁

★T23（HCM2S）/T24（7CrMoVTiB10-10）許用金屬壁溫可達600℃，是蒸汽溫度620℃以下鍋爐上部水冷壁的最佳用鋼。

2013.2.1.水冷壁

★T23（HCM2S）/T24（7Cr水冷壁材料蠕變斷裂強度

202水冷壁材料蠕變斷裂強度

563.2.2過熱器、再熱器

★過熱器、再熱器管的金屬壁溫比蒸汽溫度高出達25℃~39℃（我國規(guī)定為50℃）。

★在燃煤含硫量低、煙氣腐蝕性較小的條件下，僅從蠕變斷裂強度考慮，當蒸汽溫度為538℃（壁溫580℃），選用T22鋼；2033.2.2過熱器、再熱器

★過熱器、再熱器管的金屬壁溫比

當蒸汽溫度為565℃時（壁溫600℃），選用T23、T91鋼管；當蒸汽溫度為593℃時（壁溫620℃），選用T92、P122、E911鋼管。然而，在有腐蝕的條件下，即使最好的鐵素體鋼管也要受限于565℃的蒸汽溫度，此時要選用奧氏體鋼管。204當蒸汽溫度為565℃時（壁溫600℃），選用T23、T9★采用含硫量高、腐蝕性大的燃煤時，在壁溫≥600℃時，應(yīng)選擇TP304H、

TP321H、TP316H、TP347H奧氏體耐熱鋼。當蒸汽溫度≥600℃（壁溫≥650℃）時應(yīng)選擇細晶奧氏體耐熱鋼Super304H和TP347HFG。當壁溫達700℃時，只能選用高鉻耐熱鋼NF709、SAVE25和HR3C等。

205★采用含硫量高、腐蝕性大的燃煤時，在壁溫≥600℃時，應(yīng)選擇

18Cr-8Ni和15Cr鋼許用應(yīng)力的比較

206

18Cr-8Ni和15Cr鋼許用應(yīng)力的比較

60

含鉻量20%以上的高鉻奧氏體合金許用應(yīng)力的比較

207

含鉻量20%以上的高鉻奧氏體合金許用應(yīng)力的比較

61

許用應(yīng)力為49MPa時許用溫度與鉻含量

的關(guān)系比較

208

許用應(yīng)力為49MPa時許用溫度與鉻含量

的關(guān)系比較

6

鐵素體鋼熱腐蝕重量損失和溫度的關(guān)系

209

鐵素體鋼熱腐蝕重量損失和溫度的關(guān)系

63

各種合金熱腐蝕重量損失和Cr含量的關(guān)系

210

各種合金熱腐蝕重量損失和Cr含量的關(guān)系64

各種合金火側(cè)抗腐蝕性能比較

211

各種合金火側(cè)抗腐蝕性能比較

653.2.3.聯(lián)箱與管道

★蒸汽管道和聯(lián)箱等厚壁承壓部件，為了減少熱疲勞損傷和提高蠕變強度，其用鋼主要集中在熱膨脹系數(shù)小的9~12%Cr鐵素體耐熱鋼的發(fā)展。

★當壁溫≤600℃時，選用P91鋼；當壁溫≤620℃時，選用P92、P122和E911鋼；當壁溫≤650℃時，選用NF12和SAVE12鋼。

2123.2.3.聯(lián)箱與管道

★蒸汽管道和聯(lián)箱等厚壁承壓部件，

鐵素體耐熱鋼的許用應(yīng)力

213

鐵素體耐熱鋼的許用應(yīng)力

67

設(shè)計溫度為570℃和600℃的主蒸汽管道許用應(yīng)力比較

214

設(shè)計溫度為570℃和600℃的主蒸汽管道許用應(yīng)力比較68

31MPa時P-22、P-91、P-122鋼聯(lián)箱材料的價格比較

215

31MPa時P-22、P-91、P-122鋼聯(lián)箱材料的SC/USC鍋爐承壓部件用鋼選擇承壓部件超臨界超超臨界水冷壁T1,T2,T11T1,T2,T11；T23/T24過熱器再熱器T12,T23,T91,TP304H,TP347HT12,T23,T91,Super304H,TP347HFG,HR3C主汽P91P92/P122/E911再熱冷段Al672B70CL32A691Cr1-1/4CL22再熱熱段P91P91給水管道WB36WB36216SC/USC鍋爐承壓部件用鋼選擇承壓部件超臨界超超臨界水冷壁217712187221973220742217522276223772247822579226803.3新型耐熱鋼的應(yīng)用概況

2273.3新型耐熱鋼的應(yīng)用概況81我國超臨界機組應(yīng)用新型耐熱鋼概況

228我國超臨界機組應(yīng)用新型耐熱鋼概況

82新型耐熱鋼在日本超超臨界機組中的應(yīng)用

229新型耐熱鋼在日本超超臨界機組中的應(yīng)用83新型耐熱鋼在歐洲超超臨界機組中的應(yīng)用

230新型耐熱鋼在歐洲超超臨界機組中的應(yīng)用844.火電大機組焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2314.火電大機組焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢85

4.火電大機組焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

4.1電力行業(yè)焊接P91新型鐵素體耐熱鋼的歷史回顧

4.2新型鐵素體耐熱鋼的焊接性

232

4.火電大機組焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

4.1電4.2.1.焊縫韌性低

影響P91鋼焊縫韌性的因素分析及改善的途徑

（1）焊接方法的影響

2334.2.1.焊縫韌性低

影響P91鋼焊縫韌性的因素分析234882358923690

（2）焊縫化學成分的影響

237（2）焊縫化學成分的影響9123892（3）預熱、層間溫度的影響

★預熱溫度和層間溫度是通過降低焊接殘余應(yīng)力，減緩馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度，防止生成粗大的馬氏體，而達到防止焊縫產(chǎn)生冷裂紋的目的。

239（3）預熱、層間溫度的影響

★預熱溫度和層間溫度是通過降低對于P91這類新型耐熱鋼來說應(yīng)必須嚴格限制其預熱溫度和層間溫度不能超過工藝評定規(guī)定的溫度，過高的預熱溫度和層間溫度不僅對防止裂紋來說沒有必要，反而有可能使焊縫韌性和接頭蠕變強度達不到要求。240對于P91這類新型耐熱鋼來說應(yīng)必須嚴格限制其預熱溫度和層間溫圖4.2焊接熱循環(huán)圖241圖4.2焊接熱循環(huán)圖95（4）焊接線能量的影響

242（4）焊接線能量的影響96

E=60UI/V（J/cm）

E—焊接線能量（J/cm）

U—電弧電壓（V）

I—電流（A）

V—焊接速度（cm/min）

243E=60UI/V（J/cm）

E—焊接線能量（J焊接線能量大，焊縫金屬在高溫（1100℃以上）停留時間長，晶粒長大變脆，致使焊縫韌性降低。

244焊接線能量大，焊縫金屬在高溫（1100℃以上）停留時間長，晶由線能量公式分析可以看出，因手工電弧焊均采用短弧焊，電弧電壓一般為20伏～24伏不變，可假設(shè)電弧電壓為常數(shù)。降低焊接線能量，要綜合考慮調(diào)節(jié)焊接電流和焊接速度兩個參數(shù)，不能單純的降低焊接電流。

245由線能量公式分析可以看出，因手工電弧焊均采用短弧焊，電弧電壓若焊接電流降得過低，由于熔池的鐵水黏度大，流動性差，易造成未焊透、未熔合、夾渣等缺陷。焊接電流應(yīng)控制在保證鐵水拉得開，熔池清晰，熔合良好，在此前提下，提高焊接速度，減少焊層厚度，達到降低焊接線能量的目的，因此焊層厚度是焊接線能量的直觀反應(yīng)。

246若焊接電流降得過低，由于熔池的鐵水黏度大，流動性差，易造成未

圖4.3P91模擬熱循環(huán)試樣韌性與t8/5的關(guān)系247

101（5）焊后熱處理規(guī)范的影響

248（5）焊后熱處理規(guī)范的影響102

圖4.4在RT下純焊縫金屬PWHT條件（溫度/時間）對焊縫沖擊韌性的影響

249

圖4.4在RT下純焊縫金屬PWHT條件（

圖4.4埋弧焊與手工焊熱處理時間與焊縫金屬韌性之間的關(guān)系

250

圖4.4埋弧焊與手工焊熱處理時間與焊縫金屬251105熱處理方面存在的問題

1、遠紅外線加熱的內(nèi)外壁溫差大

2、控制設(shè)備落后

3、熱電偶不定時校定

4、熱電偶的固定方法不當

5、不同焊接位置的熱傳導問題注意不夠252熱處理方面存在的問題

1、遠紅外線加熱的內(nèi)外壁溫差大

2、4.2.2焊接冷裂紋

圖4.1（a）T23、P91鋼和P22鋼焊接接頭斜Y型坡口試驗裂紋率與預熱溫度間的關(guān)系

4.2.2.焊接冷裂紋2534.2.2焊接冷裂紋

圖4.1（a）T23、P91鋼和

圖4.1（b）P22（HCM12A）鋼與P91鋼焊接接頭斜Y型坡口試驗裂紋率與預熱溫度間的關(guān)系

254

圖4.1（b）P22（HCM12A）鋼與

圖4.1（c）P92鋼（NF616）鋼焊接接頭斜Y型坡口試驗裂紋率與預熱溫度間的關(guān)系

255

圖4.1（c）P92鋼（NF616）鋼對冷裂紋敏感性是按：T23→P92→P122→P91→P22的順序增高；而合金含量是按P22→T23→P91→P92→P122的順序增加的。顯然這與采用傳統(tǒng)碳當量評估冷裂紋結(jié)果完全

不一致。

256對冷裂紋敏感性是按：T23→P92→P122→P91→P22

防止P91鋼焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋的措施：

（1）嚴格控制預熱溫度和層間溫度

（2）嚴格控制焊縫的含氫量，防止氫致延遲裂紋的產(chǎn)生

（3）減少焊接缺陷，降低焊接接頭應(yīng)力狀態(tài)

257防止P91鋼焊接接頭產(chǎn)生冷裂紋的措施：

（1）嚴格控制預4.2.3焊接熱影響區(qū)的軟化

通過熱處理強化的鐵素體鋼，由于低于臨介溫度的過回火作用或在臨界溫度范圍內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的變化，在HAZ外端的硬度會下降，在對焊接接頭進行高溫持久強度試驗時，往往斷在這個部位，該部位稱作軟化帶，焊接接頭軟化帶的高溫持久強度與母材同一溫度的持久強度的比值稱作熱強系數(shù)。2584.2.3焊接熱影響區(qū)的軟化

通過熱處理強化的鐵素體鋼，由259113非均質(zhì)的焊接接頭中會發(fā)生相鄰的“強區(qū)”對“軟化帶”的“約束強化”作用。采用小的焊接線能量焊接，可有效的減小“軟化帶”的寬度，從而起到“約束強化”作用。260非均質(zhì)的焊接接頭中會發(fā)生相鄰的“強區(qū)”對“軟化帶”的“約束強4.2.4熱影響區(qū)的Ⅳ型裂紋

P91這類鐵素體耐熱鋼在高溫長期運行中，往往會在焊接熱影響區(qū)的“細晶區(qū)”（AC3附近或AC3—AC1區(qū)間）出現(xiàn)一種無明顯塑性變形的低應(yīng)力蠕變斷裂，造成焊接接頭蠕變斷裂壽命低于母材的現(xiàn)象。英國人按裂紋產(chǎn)生位置分類方法，稱這種裂紋為Ⅳ型裂紋。2614.2.4熱影響區(qū)的Ⅳ型裂紋

P91這類鐵素體耐熱在焊縫范圍內(nèi)發(fā)生的裂紋稱為Ⅰ型裂紋；在焊縫內(nèi)發(fā)生，但可延伸到熱影響區(qū)的裂紋，稱為Ⅱ型裂紋；在鄰近熔合區(qū)的熱影響區(qū)發(fā)生的裂紋，稱為Ⅲ型裂紋；在鄰近母材的熱影響區(qū)發(fā)生的裂紋稱為Ⅳ型裂紋。

262在焊縫范圍內(nèi)發(fā)生的裂紋稱為Ⅰ型裂紋；在焊縫內(nèi)發(fā)生，但

焊接接頭裂紋的分類263焊接接頭裂紋的分類117關(guān)于Ⅳ型裂紋形成的機理，目前尚無定論，近期研究結(jié)果提出系列理論，如合金元素偏聚、碳化物粗化，Laves相沉淀、亞結(jié)構(gòu)粗化、蠕變孔洞的形成、位錯密度降低等。

264關(guān)于Ⅳ型裂紋形成的機理，目前尚無定論，近期研究結(jié)果提出系列理為了防止產(chǎn)生Ⅳ型裂紋，焊接時在保證熔化良好，不生產(chǎn)焊接冷裂紋的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量不采用過高的預熱及層間溫度，不采用過大的焊接線能量，采取多層多道焊，焊層厚度為2~3mm，確保上層焊道對下層焊道的回火作用，盡力使熱影響區(qū)Ⅳ型裂紋區(qū)變得窄一些，Ⅳ型裂紋區(qū)寬度越窄，其拘束強化作用越強，產(chǎn)生Ⅳ型裂紋的可能性越小。另外，還可以通過接頭設(shè)計和制造過程中的