（机械设计及理论专业论文）电厂用t91p91钢焊接热影响区裂纹研究及焊接性能评定.pdf

摘要 开发具有良好高温性能和工艺性能的耐热钢，目前己成为超临界、 超超临界 锅炉发展的关键o t 9 1 / p 9 1 钢是近年来专为火电厂超高参数机组研制的锅炉用 新型耐热钢，是世界上发展超临界发电机组的主要候选钢种。日前与国外发 达国家相比，我国在对t 9 1 / p 9 1 钢研究、生产和使用等方面都有明显差距。 通过试验， 对 t 9 1 / p 9 1 钢的焊接接头进行常温及高温力学性能评价， 研究 分析了t 9 1 / p 9 1 钢焊接热影响区的焊接裂纹敏感性，为电 站锅炉设计及强度 计算提供参考，为电厂锅炉用 t 9 1 / p 9 1 钢管检测提供技术依据。 关键词: t 9 1 / p 9 1 钢，焊接性能评定，焊接裂纹，裂纹敏感性 ab s t r a c t t h e k e y o f t h e s u p e r - c r i t i c a l b o i l e r m a n u f a c t u r i n g i s d e v e l o p i n g t h e h e a t - r e s i s t i n g s t e e l w i t h g o o d h i g h - t e m p e r a t u r e c r e e p r u p t u r e s t r e n g t h a n d p r o c e s s p e r f o r m a n c e . t 9 1 / p 9 1 s t e e l i s a n e w t y p e h e a t - r e s i s t i n g s t e e l u s e d f o r b o i l e r d e v e l o p e d o v e r s e a s i n r e c e n t y e a r s . t 9 1 / p 9 1 i s m a i n c a n d i d a t e s t e e l i n d e v e l o p i n g c h i n e s e s u p e r c r i t i c a l p o w e r g e n e r a t i n g u n i t . a t p r e s e n t , r e s e a r c h o f t 9 1 s t e e l i n c h i n a i s d e v e l o p i n g f r o m i n t r o d u c i n g a n d a c c e p t i n g f o r e i g n t e c h n i q u e t o a u t o n o m o u s d e v e l o p m e n t . b y t h e o r y a n d t e s t i n g , t h i s p a p e r e v a l u a t e s m e c h a n i c a l p r o p e r t y o f t 9 1 / p 9 1 s t e e l s w e l d i n g j o i n t u n d e r n o r m a l a n d h i g h t e m p e r a t u r e , a n d a n a l y z e s w e l d i n g c r a c k s e n s i t i v i t y o f t 9 1 s t e e l s h e a t - a f f e c t e r z o n e . t h o s e r e s u l t s s u p p l y r e f e r e n c e f o r d e s i g n a n d s t r e n g t h c o m p u t a t i o n i n p o w e r s t a t i o n a n d t e c h n i c a l b a s i s f o r t 9 1 / p 9 1 s t e e l p i p e t e s t i n g i n g e n e r a t i n g s t a t i o n . y i n j i a n f e n g ( m e c h a n i c a l d e s i g n a n d t h e o r y ) d i r e c t e d b y p r o f . q i j i y u k e y wo r d s : t 9 1 / p 9 1 s t e e l , w e l d t h e f u n c t i o n t o a s s e s s , t h e w e l d i n g c r a c k c r a c k s e n s i t i v i t y 摘要 开发具有良好高温性能和工艺性能的耐热钢，目前己成为超临界、 超超临界 锅炉发展的关键o t 9 1 / p 9 1 钢是近年来专为火电厂超高参数机组研制的锅炉用 新型耐热钢，是世界上发展超临界发电机组的主要候选钢种。日前与国外发 达国家相比，我国在对t 9 1 / p 9 1 钢研究、生产和使用等方面都有明显差距。 通过试验， 对 t 9 1 / p 9 1 钢的焊接接头进行常温及高温力学性能评价， 研究 分析了t 9 1 / p 9 1 钢焊接热影响区的焊接裂纹敏感性，为电 站锅炉设计及强度 计算提供参考，为电厂锅炉用 t 9 1 / p 9 1 钢管检测提供技术依据。 关键词: t 9 1 / p 9 1 钢，焊接性能评定，焊接裂纹，裂纹敏感性 ab s t r a c t t h e k e y o f t h e s u p e r - c r i t i c a l b o i l e r m a n u f a c t u r i n g i s d e v e l o p i n g t h e h e a t - r e s i s t i n g s t e e l w i t h g o o d h i g h - t e m p e r a t u r e c r e e p r u p t u r e s t r e n g t h a n d p r o c e s s p e r f o r m a n c e . t 9 1 / p 9 1 s t e e l i s a n e w t y p e h e a t - r e s i s t i n g s t e e l u s e d f o r b o i l e r d e v e l o p e d o v e r s e a s i n r e c e n t y e a r s . t 9 1 / p 9 1 i s m a i n c a n d i d a t e s t e e l i n d e v e l o p i n g c h i n e s e s u p e r c r i t i c a l p o w e r g e n e r a t i n g u n i t . a t p r e s e n t , r e s e a r c h o f t 9 1 s t e e l i n c h i n a i s d e v e l o p i n g f r o m i n t r o d u c i n g a n d a c c e p t i n g f o r e i g n t e c h n i q u e t o a u t o n o m o u s d e v e l o p m e n t . b y t h e o r y a n d t e s t i n g , t h i s p a p e r e v a l u a t e s m e c h a n i c a l p r o p e r t y o f t 9 1 / p 9 1 s t e e l s w e l d i n g j o i n t u n d e r n o r m a l a n d h i g h t e m p e r a t u r e , a n d a n a l y z e s w e l d i n g c r a c k s e n s i t i v i t y o f t 9 1 s t e e l s h e a t - a f f e c t e r z o n e . t h o s e r e s u l t s s u p p l y r e f e r e n c e f o r d e s i g n a n d s t r e n g t h c o m p u t a t i o n i n p o w e r s t a t i o n a n d t e c h n i c a l b a s i s f o r t 9 1 / p 9 1 s t e e l p i p e t e s t i n g i n g e n e r a t i n g s t a t i o n . y i n j i a n f e n g ( m e c h a n i c a l d e s i g n a n d t h e o r y ) d i r e c t e d b y p r o f . q i j i y u k e y wo r d s : t 9 1 / p 9 1 s t e e l , w e l d t h e f u n c t i o n t o a s s e s s , t h e w e l d i n g c r a c k c r a c k s e n s i t i v i t y y 7 1 2 9 4 0 .鱼盆口口 尸7日 月 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 ，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。 据本人所知， 除了 文中 特别加以 标注和致谢 之处外， 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电 力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有 权保管、 并向有关部门 送交学位论文的原件与复印件; 学校可以 采用影印、 缩 印 或其它复制手段复制并 保存学位论文; 学校可允 许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:导师签名: 日期:日期: 华北电力大学硕十学位论文 第一章 前言 1 . 1锅炉管道用耐热钢的研究发展概况 1 . 1 . 1锅炉管道用耐热钢的服役条件和性能要求 锅炉过热器和蒸汽导管等管道的服役条件是比较恶劣的，其服役的苛刻 程度和在锅炉中的重要性不亚于锅炉中任何其它部件。锅炉管道处在高温高 压下工作，零部件将产生蠕变，并有可能发生持久断裂;同时管道在高温烟 气和水蒸汽的作用下也将发生氧化和腐蚀。在电站运行中就有由于管道腐蚀 而发生爆管的情况 ” 。为了使管道在工作时安全可靠，对管道用钢一般要求 比较高。不但要求良好的高温持久强度、持久塑性、高的蠕变极限，而且还 要求高温下良 好的抗氧化和耐腐蚀性能，同时作为锅炉管道用钢，必须具备 足够的组织稳定性、好的焊接性和良好的冷加工与热加工工艺性能。 1 . 1 . 2锅炉管道用耐热钢发展概况 在锅炉设备中耐热钢主要用于过热器、导汽管、主蒸汽管、集箱和再热 器、动力叶片等零部件，特别是在高压和超高压锅炉中大量使用。 锅炉管道用耐热钢是随着工业需求的发展而发展的，起始于本世纪三十 年代。开始由于服役温度较低( 4 8 0 c ) ， 强度要求不高，一般采用一些低碳钢 ( 如 1 0 号、 2 0 号 优质碳素钢) 。随着动力工业的发 展， 为了 适应锅炉蒸汽 参数提高的需要，对管道钢的热强性能要求也越来越高，低碳钢己不能满足 要求，从而发展了含m o的低合金热强钢，其使用温度比低碳钢提高了2 0 - 5 0 c ， 在4 5 0 5 2 0 0c 温度范围内， 其持久强度比2 0 号钢高1 . 5 -2 . 0 倍，可 以说 m 。钢的发展是近代低合金热强钢发展的源头 ， 们 。 在此基础上，又发展 了c r - m 。 系、c r - m o - v 系低合金耐热钢。 1 、国外t 9 1 / p 9 1 钢的研究和发展概况: 在本世纪五十年代， 电站锅炉钢管大多采用铁素体合金钢( 如2 . 2 5 c r 1 m o ) 和奥氏 体不锈钢 ( 如 t p 3 0 4 , t p 3 4 7 ) ， 但随着高参数机组的发展，锅炉温度 和压力不提高，对钢管材料的高温蠕变性能和抗腐蚀性能方面提出了更高的 要求，一些国家开始进行了一些非微量合金 9 c r 1 m o钢管的实验。五十年代 末，比利时的l i e g e 冶金研究中心第一次详细说明了“ 超级9 % c r 钢，当时 华北电力大学硕十学位论文 第一章 前言 1 . 1锅炉管道用耐热钢的研究发展概况 1 . 1 . 1锅炉管道用耐热钢的服役条件和性能要求 锅炉过热器和蒸汽导管等管道的服役条件是比较恶劣的，其服役的苛刻 程度和在锅炉中的重要性不亚于锅炉中任何其它部件。锅炉管道处在高温高 压下工作，零部件将产生蠕变，并有可能发生持久断裂;同时管道在高温烟 气和水蒸汽的作用下也将发生氧化和腐蚀。在电站运行中就有由于管道腐蚀 而发生爆管的情况 ” 。为了使管道在工作时安全可靠，对管道用钢一般要求 比较高。不但要求良好的高温持久强度、持久塑性、高的蠕变极限，而且还 要求高温下良 好的抗氧化和耐腐蚀性能，同时作为锅炉管道用钢，必须具备 足够的组织稳定性、好的焊接性和良好的冷加工与热加工工艺性能。 1 . 1 . 2锅炉管道用耐热钢发展概况 在锅炉设备中耐热钢主要用于过热器、导汽管、主蒸汽管、集箱和再热 器、动力叶片等零部件，特别是在高压和超高压锅炉中大量使用。 锅炉管道用耐热钢是随着工业需求的发展而发展的，起始于本世纪三十 年代。开始由于服役温度较低( 4 8 0 c ) ， 强度要求不高，一般采用一些低碳钢 ( 如 1 0 号、 2 0 号 优质碳素钢) 。随着动力工业的发 展， 为了 适应锅炉蒸汽 参数提高的需要，对管道钢的热强性能要求也越来越高，低碳钢己不能满足 要求，从而发展了含m o的低合金热强钢，其使用温度比低碳钢提高了2 0 - 5 0 c ， 在4 5 0 5 2 0 0c 温度范围内， 其持久强度比2 0 号钢高1 . 5 -2 . 0 倍，可 以说 m 。钢的发展是近代低合金热强钢发展的源头 ， 们 。 在此基础上，又发展 了c r - m 。 系、c r - m o - v 系低合金耐热钢。 1 、国外t 9 1 / p 9 1 钢的研究和发展概况: 在本世纪五十年代， 电站锅炉钢管大多采用铁素体合金钢( 如2 . 2 5 c r 1 m o ) 和奥氏 体不锈钢 ( 如 t p 3 0 4 , t p 3 4 7 ) ， 但随着高参数机组的发展，锅炉温度 和压力不提高，对钢管材料的高温蠕变性能和抗腐蚀性能方面提出了更高的 要求，一些国家开始进行了一些非微量合金 9 c r 1 m o钢管的实验。五十年代 末，比利时的l i e g e 冶金研究中心第一次详细说明了“ 超级9 % c r 钢，当时 华北电力大学硕十学位论文 的化学成分是9 c r 2 m o ，并有n b 和v 的添加剂， 材料牌号为e m 1 2 e 1 9 6 4 年法 国电力公司 ( e d f )批准温度高达6 2 0 0 c的过热器和再热器使用 e m 1 2 来代替 不锈钢管x 1 7 1 。 六十年代末期德国研发了1 2 %铬钢x 2 0 c r m o v 1 2 1 ( x 2 0 钢) ， x 2 0 钢与2 . 2 5 c r 1 m 。 及 1 2 c r l m o v 钢相比， 具有更高的 蠕变强 度， 但在温度高于 5 2 0 0 c 时其蠕变断裂强度不及 e m 1 2 ，且其焊接性能差。 1 9 7 4 年美国能源部委托橡树岭国家实验室 ( o r n l ) 研究用于液态金属快 中子增殖堆计划的钢材，开始研究改型的9 c r 1 m o 钢种，并进行了各种试验， 试验表明在5 9 3 0 c , 1 0 万小时条件下持久强度达到 1 0 0 m p a ，韧性也比较好; 从技术和经济角度看，这种钢比e m 1 2 好，化学成分上的主要差别是m o 含量 减少一半，低n b , v ，并控制n , c u , n i 等的含量。1 9 8 0 - 1 9 8 4 年美国、英 国、加拿大等国家先后在过热器、再热器上用t 9 1 / p 9 1 代替t p 3 2 1 和t p 3 0 4 等不锈钢材料。 1 9 8 2 年橡树岭国家实验室进行了t 9 1 / p 9 1 , e m 1 2 和x 2 0 三种 材料的比较研究，1 9 8 3 年美国a s m e 和a s t m 先后比准将改进的9 c r l m o 钢分 别载于 s a 2 1 3 和 a 2 1 3标准内，批准t 9 1 / p 9 1 在锅炉过热器和热交换器上应 用。1 9 8 5 年美国电力研究所 ( e p r i )进行了改进燃煤电厂的 1 4 0 3号课题研 究， 对于可燃用硫份、灰份高的低价劣质煤的主蒸汽压力和温度更高的超临 界锅炉，选用 t 9 1作为水冷壁管材。1 9 8 7年法国瓦鲁海克工业公司针对 t 9 1 / p 9 1 与x 2 0 和e m 1 2 的比较评估研究发表技术报告认为， t 9 1 / p 9 1 有明显 的优点，强调要从 e m 1 2转为使用 t 9 1 / p 9 1钢材。八十年代末，在关系到 t 9 1 / p 9 1 钢的生产于应用的实际问题方面，德国曼内士斯曼公司进行了长期 的试验，以 验证材料的特性，主要是弥散特性及蠕变强度，并进一步发展和 测试了焊接材料。目前世界上主要生产锅炉管和大直径厚壁管的钢厂均已完 成t 9 1 / p 9 1 管工业化生产的研究， 其中有日 本的住友钢管厂、德国的曼内斯 曼公司、法国的瓦鲁海克钢厂等均己向世界供应t 9 1 / p 9 1 钢管和管件。欧洲 煤炭和钢交流会于1 9 9 2 年 1 1 月在杜塞而多夫召开会议， 会议的唯一主题是 “ 应用于电力和化学工业的p 9 1 钢的性能与生产” 。 会上宣读了由e c s c 赞助， 一些欧洲研究中心实施的研究成果。 t 9 1 / p 9 1钢焊接区性能方面，美国橡树岭国家实验室 ( o r n l )和f1 3 纳西 州立大学最早开展了这方面的研究， 他们将重点放在裂纹的研究上( 热裂纹、 冷裂纹及再热裂纹) ，以 决定这种钢焊接时的预热和焊后热处理的温度，并 考察其在室温和高温下的力学性能。美国燃料公司重点研究了这种钢的手工 电弧焊的工艺。 德国的巴布科可进行了小直径t 9 1 的焊接测试和相应的机械 性能测试。 1 9 8 5 -1 9 8 8 年，日 本三菱重工开发了后壁管p 9 1 的焊接技术并研 究了焊缝的性能，试验研究结果对k a w a g o e电站设计者最终选择p 9 1 钢作为 华北电力大学硕十学位论文 首选材料提供了极大帮助。法国的v a l l o u r e c 公司针对不同直径钢管研究了 工厂焊接和弯曲试验。 近些年来，电力生产企业都在集中在这种新型的高温应有的马氏体钢 上，许多电 力建设公司如 r e m a k - o p o l e , r a f a k o - r a c i b o r z，c h e m a r - k i e l c e 等，以及一些钢材用户 ( 大的电站、许多与电力工业相关的公司)都对这种 钢材应用的可能性、高温性能和焊接性进行了研究。如波兰焊接研究所与 r e m a k - o p o l e 公司合作，进行了一系列的试验来研究 p 9 1 钢的焊接性，管状 对接接头由r e m a k 按照德国b a b c o c k 公司提供的工艺研制。 2 、国内t 9 1 / p 9 1 钢的 研究和发展概况: 我国的耐热钢研究与生产是从5 0 年代开始的，起初是引进一些国外( 主 要为前苏联) 的成熟钢号并开始生产，5 0年代末期才开始研究结合我国资源 j清况的新钢种，并取得了一些成绩。在锅炉管件用钢方面仿制与自 行研制了 用于温度6 0 0 -6 2 0 0c 的管道钢 1 2 c r 3 m o v s i t i b ( i i - 1 1 ) 钢和 1 2 c r 2 m o w v t i b 钢 ( 钢 1 0 2 ) :工作温度在5 8 0 以下的过热器管道用钢 1 3 s i m n w v b 无铬7 号) 、 1 2 m o v w b s i r e ( 无铬8 号) 以及用于大、小口径管道的1 2 c y l m o v 钢 ， ， 。 试验表 明2 0 1 ， 这些材料主要的高温性能并不亚于国外机组中使用的同 类材料的高温 性能指标。 为了适应世界发电设备技术的飞速发展， 缩短与国外的差距，我国自7 0 年代末以 来，从国外引进了不少发电机组与相关技术。如正式从美国西屋公 司、法国c e m 公司引进3 0 , 6 0万千瓦机组技术，材料亦包括在内2 1 , 2 2 。法 国c e m公司亚临界 3 0万千瓦机组主蒸汽管用材为 1 1 c r - m o - n i - v ( 法国牌号 z 2 0 c d n v 1 1 ) (2 2 。 可以 看出， 在 许多 大型 机组 上使 用的 材料 有逐 渐向 高c r 钢 转化的趋势。就国内情况而言，自 我国引进 3 0 万、6 0 万千瓦机组以来，在 电站材料的研究和应用方面正处于较大的提高阶段，其中主要引进和应用了 t 9 1 / p 9 1钢，在九十年代初，国内一些单位如上海锅炉厂，东方锅炉厂以及 电力系统某些电厂和试验研究单位开始了t 9 1 / p 9 1 钢的焊接性研究和焊接性 试验以及焊接性工艺试验研究的工作，并取得了一些数据和结论。到了九十 年代中期，在由原电力规划设计总院组织的t 9 1 / p 9 1 钢管在我国开展推广工 作以来，国内投产的进口 或国产火电机组相继采用了t 9 打p 9 1 钢管。原电力 工业部科技司在 1 9 9 7 年向电力建设研究所下达了“ p 9 1 钢管研制和t 9 1 / p 9 1 钢焊接材料研制及t 9 1 异种钢焊接技术研究” 重点科研项目; 同时对t 9 1 / p 9 1 钢的异种焊接接头的组织形态、接头的高温强度、接头失效机理等进行深入 研究，解决其异种钢的焊接技术问题;最终该项目取得了良好的效果，这项 技术成果的系列产品己经商业化并在国内推广。国内其它一些单位如上海电 华北电力大学硕士学位论文 力修造厂、河北电力试验所和北京工业大学等也取得了许多的科研成果。 总的来说，国内对t 9 1 / p gl 钢的研究目前还处在引进和消化吸收国外技 术和产品向自主开发研制的过渡阶段，与国外发达国家相比，在对 t 9 1 / p gl 钢研究的各个方面都处于落后状态，且与t 9 1 / p 9 1 钢的有关生产和应用的规 范化、标准化方面也有待于加强 15 。 1 . 1 . 3t91 / p 91钢管的应用前景 tgl/p91 钢经过20年的开发， 在欧、 美、日许多电厂和公司的使用证明， 工作温度在5 50时， 仍具有较好的综合性能叫。 所以， 在相等内 径情况下， 可显著减少钢管壁厚和重量。图1 一 1 是在 550 ，25m p a 压力下钢管壁厚及 月| 工作条件:5 50 ， 2 5 mp 管子直径: 2 99二 _ 一壁厚降f 氏 5 5 %壁厚降低h% 子 产下刃 忍 飞 ， 一 咋 狱片 宝 诊 牡 卜 丫杯芬了 一 布 共 火二 认 二 二少产 t 2 2 / p 2 2 肠不 夕 名 夕 只20 丁 如/ 户 引 _一 图 1 一 1 壁厚和重量的效益 重量减少的情况川 。由于壁厚及重量的减少。无论是钢管的支撑部件、装备 总重量还是装备所占用的空间都大为减少，具有良好的经济性。 1 、过热器和再热器用钢管 80 年代初美、加、英等国一些电站开始用 t 9 1 / p 9 1钢替代原用铁素体和奥氏体钢管。现在，t 9 1 / p 91 钢管已广泛用于 过热器和再热器习 2 、过热器集箱和主蒸汽管道 英国中央电力总局( c e g s)和美国某些电力公司近来选t 9 1/p gl钢用于集 箱。英国私营电站也用 p 9 1 制备集箱，如 n a t i 。 n a lp o w e r己在几个 s o o m w 锅炉上安装由p gl 制成的 4 0 支过热器出口集箱，典型外径尺寸为 3 5 0 m m ， 壁 厚 s o m m 。日本住友金属公司 1 9 8 8年已经成功制造大批管道发往电厂用于主 蒸汽管和集箱幻 。 3 、高蒸汽参数的锅炉 锅炉的能源消耗随蒸汽参数提高而降低.而提高动力锅炉的蒸汽参数 华北电力大学硕士学位论文 力修造厂、河北电力试验所和北京工业大学等也取得了许多的科研成果。 总的来说，国内对t 9 1 / p gl 钢的研究目前还处在引进和消化吸收国外技 术和产品向自主开发研制的过渡阶段，与国外发达国家相比，在对 t 9 1 / p gl 钢研究的各个方面都处于落后状态，且与t 9 1 / p 9 1 钢的有关生产和应用的规 范化、标准化方面也有待于加强 15 。 1 . 1 . 3t91 / p 91钢管的应用前景 tgl/p91 钢经过20年的开发， 在欧、 美、日许多电厂和公司的使用证明， 工作温度在5 50时， 仍具有较好的综合性能叫。 所以， 在相等内 径情况下， 可显著减少钢管壁厚和重量。图1 一 1 是在 550 ，25m p a 压力下钢管壁厚及 月| 工作条件:5 50 ， 2 5 mp 管子直径: 2 99二 _ 一壁厚降f 氏 5 5 %壁厚降低h% 子 产下刃 忍 飞 ， 一 咋 狱片 宝 诊 牡 卜 丫杯芬了 一 布 共 火二 认 二 二少产 t 2 2 / p 2 2 肠不 夕 名 夕 只20 丁 如/ 户 引 _一 图 1 一 1 壁厚和重量的效益 重量减少的情况川 。由于壁厚及重量的减少。无论是钢管的支撑部件、装备 总重量还是装备所占用的空间都大为减少，具有良好的经济性。 1 、过热器和再热器用钢管 80 年代初美、加、英等国一些电站开始用 t 9 1 / p 9 1钢替代原用铁素体和奥氏体钢管。现在，t 9 1 / p 91 钢管已广泛用于 过热器和再热器习 2 、过热器集箱和主蒸汽管道 英国中央电力总局( c e g s)和美国某些电力公司近来选t 9 1/p gl钢用于集 箱。英国私营电站也用 p 9 1 制备集箱，如 n a t i 。 n a lp o w e r己在几个 s o o m w 锅炉上安装由p gl 制成的 4 0 支过热器出口集箱，典型外径尺寸为 3 5 0 m m ， 壁 厚 s o m m 。日本住友金属公司 1 9 8 8年已经成功制造大批管道发往电厂用于主 蒸汽管和集箱幻 。 3 、高蒸汽参数的锅炉 锅炉的能源消耗随蒸汽参数提高而降低.而提高动力锅炉的蒸汽参数 华北电力大学硕 十学位论文 ( 温度和压力) 是提高热效率的最直接途径。由于t 9 1 / p 9 1 钢具有良好的综台 高温性能， 使得现代动力锅炉在蒸汽温度5 4 0 6 0 0 时得到最高效率比成为 可能。日 本川越( k a w a g o e ) 7 0 0 m w的超临界电站的主蒸汽管道、 过热器出口 集 箱和阀体都使用了t 9 1 / p 9 1 钢。该电站原规定在 3 1 m p a 和5 6 6 下主蒸汽和 再热蒸汽管道使用外径6 8 6 m m ， 壁厚 1 9 8 m m 的2 . 2 5 c r - 1 m o 钢. 改用钢t 9 1 / p 9 1 后，尺寸减至外径4 3 2 m m ， 壁厚7 5 m m 0 。 丹麦两座新的4 0 9 m w 超临界电站将 在1 9 9 7 - 1 9 9 8 年投入运行， 在过热器和双再热器中的蒸汽为3 0 m p a 和5 8 0 c , 蒸汽管道和集箱将用t 9 1 / p 9 1 钢u a 。实际上， t 9 1 / p 9 1 钢已 大量应用于新设 计的许多超临界动力锅炉和电站管道上7 4 、水冷壁用内螺纹管 亚临界、 超临界动力锅炉， 因炉内受热面热强度大， 壁上产生膜态沸腾， 影响传热，须采用内螺纹管。加利福尼亚某电厂几台锅炉中靠近燃烧器的水 冷壁中 产生高热流并在内 壁积存， 原先用的是t 2 管， b a b c o c k 延伸率和断面收缩率在4 0 0 以下大致相同，4 0 0 1c以上t 9 2 略低些: 时效后t 9 2的 冲击值有所下降， 但仍不低;在6 0 0 , 6 5 0 其持久强度远高于相 应温度下的t 9 1 ( 且具有良 好的持久塑性) ， 在6 5 0 为t 9 1 的1 . 6 倍; 与t p 3 4 7 h 的等强温度为6 2 5 0c ，当 温度低于6 2 5 时， t 9 2 的 持久强度高于t p 3 4 7 h 。 此外 t 9 2 有良 好的韧性、 可焊性以 及加工性能; 抗蒸汽氧化性能好， 与t 9 1 基本相同; 华北电力大学硕十学位论文 抗高温腐蚀性能略优于t 9 1 a焊接试验证明t 9 2 有较好的抗裂性。 应用前景:由于该钢性能优良，使用温度可达6 5 0 c ，可在电站锅炉中的高 温过热器、再热器部分代替t p 3 0 4 h 和t p 3 4 7 h 应用，可望改善钢管的运行性能， 避免或减少异种钢接头，具有较大的实际意义。用在亚临界锅炉上可用其代替 t p 3 4 7 h 和t 9 1 厚壁管。该钢作为现有、将来锅炉的最高温度区以及超临界压力 锅炉管道用钢，必将得到广泛应用。 1 . 2合金元素的作用 人们对合金元素影响耐热钢性能的机理己进行了很多的研究。一般认为，由 于存在合金元素而使固溶体强化和稳定， 即合金元素使a 固溶体中析出热力学稳 定的弥散合金碳化物， 作为耐热钢高温强化的重要来源。 但以前的工作所得出的 结论也并未取得一致的认识， 特别是关于合金元素如c r , m o , v , n b 等在基体中 究竟是由于元素的固溶强化，还是由于形成合金碳化物沉淀强化了钢的热强性 能， 近年来也有不同的看法， f o l d y n a 与p r n k a 认为， a - f e 基体中合金碳化物的 沉淀析出为 强化的主要方式， 它与析出相颗粒的大小， 形状及间 距等有关27 , 2 9 另外，有人认为 合金元素主要使基体得到强化才起作用的。 j a k o b v a与 a r g e n t 认为， 钢的热强 性能主要取决于合金原子在基体中的 溶解情况2 5 . 2 6 合金元素的存在和变化对高c r ( 8 - 1 4 % c r ) 型耐热钢的组织和性能具有很大 的影响。这里就国内外的研究成果简述如下: 1 . 2 . 1 c r 的作用 在高 c r 钢中，c r的作用主要有三:一是提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性 能;二是固溶于基体中起固溶强化作用;三是形成m , c 。 和m 2 3 c 。 起沉淀强化作 用。同时c r 的存在强化了w c ， 但c r 含量的增加也减少了v , c 。 的析出 ， ， 加 速了m 7c j -m 2 3 c 。 的转化【 。 此外，在含m o 钢中，加入c r 能改变m o 在碳化物 和固溶体之间的分配，当加入的c r 不足以形成渗碳体以外的其它碳化物时， c r 能使m 。 从渗碳体中被排除， 溶入基体;当加入的c r 已可形成渗碳体以外 的其他类型碳化物时，将引起m o 碳化物减少，也同样使m 。 溶入基体中1 4 近年来一些研究表明: 9 %c r 型马氏体耐热钢的韧性随c r 含量的降低而 得到改善。这是因为 c r告量的降低有利于减少 9 %c r型马氏体耐热钢中6 铁 素 体 的 含 量 。 5铁 素 体 含 量 的 预 测 值 由 下 式 给 出 : f p % = 一 1 0 4 - 5 5 5 c - 4 7 6 n + 3 2 . 9 s i - 4 9 . 5 m n - 8 . 7 n i + 1 2 . 1 c r + 3 9 . l m o + 4 6 . 1 v + 8 3 . 5 n b - 6 9 7 b 另一方面， c r 含量被确定在8 % 左右是为了 获 得完全马氏 体( m ) 组织， 华北电力大学硕十学位论文 抗高温腐蚀性能略优于t 9 1 a焊接试验证明t 9 2 有较好的抗裂性。 应用前景:由于该钢性能优良，使用温度可达6 5 0 c ，可在电站锅炉中的高 温过热器、再热器部分代替t p 3 0 4 h 和t p 3 4 7 h 应用，可望改善钢管的运行性能， 避免或减少异种钢接头，具有较大的实际意义。用在亚临界锅炉上可用其代替 t p 3 4 7 h 和t 9 1 厚壁管。该钢作为现有、将来锅炉的最高温度区以及超临界压力 锅炉管道用钢，必将得到广泛应用。 1 . 2合金元素的作用 人们对合金元素影响耐热钢性能的机理己进行了很多的研究。一般认为，由 于存在合金元素而使固溶体强化和稳定， 即合金元素使a 固溶体中析出热力学稳 定的弥散合金碳化物， 作为耐热钢高温强化的重要来源。 但以前的工作所得出的 结论也并未取得一致的认识， 特别是关于合金元素如c r , m o , v , n b 等在基体中 究竟是由于元素的固溶强化，还是由于形成合金碳化物沉淀强化了钢的热强性 能， 近年来也有不同的看法， f o l d y n a 与p r n k a 认为， a - f e 基体中合金碳化物的 沉淀析出为 强化的主要方式， 它与析出相颗粒的大小， 形状及间 距等有关27 , 2 9 另外，有人认为 合金元素主要使基体得到强化才起作用的。 j a k o b v a与 a r g e n t 认为， 钢的热强 性能主要取决于合金原子在基体中的 溶解情况2 5 . 2 6 合金元素的存在和变化对高c r ( 8 - 1 4 % c r ) 型耐热钢的组织和性能具有很大 的影响。这里就国内外的研究成果简述如下: 1 . 2 . 1 c r 的作用 在高 c r 钢中，c r的作用主要有三:一是提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性 能;二是固溶于基体中起固溶强化作用;三是形成m , c 。 和m 2 3 c 。 起沉淀强化作 用。同时c r 的存在强化了w c ， 但c r 含量的增加也减少了v , c 。 的析出 ， ， 加 速了m 7c j -m 2 3 c 。 的转化【 。 此外，在含m o 钢中，加入c r 能改变m o 在碳化物 和固溶体之间的分配，当加入的c r 不足以形成渗碳体以外的其它碳化物时， c r 能使m 。 从渗碳体中被排除， 溶入基体;当加入的c r 已可形成渗碳体以外 的其他类型碳化物时，将引起m o 碳化物减少，也同样使m 。 溶入基体中1 4 近年来一些研究表明: 9 %c r 型马氏体耐热钢的韧性随c r 含量的降低而 得到改善。这是因为 c r告量的降低有利于减少 9 %c r型马氏体耐热钢中6 铁 素 体 的 含 量 。 5铁 素 体 含 量 的 预 测 值 由 下 式 给 出 : f p % = 一 1 0 4 - 5 5 5 c - 4 7 6 n + 3 2 . 9 s i - 4 9 . 5 m n - 8 . 7 n i + 1 2 . 1 c r + 3 9 . l m o + 4 6 . 1 v + 8 3 . 5 n b - 6 9 7 b 另一方面， c r 含量被确定在8 % 左右是为了 获 得完全马氏 体( m ) 组织， 华北电力大学硕十学位论文 抗高温腐蚀性能略优于t 9 1 a焊接试验证明t 9 2 有较好的抗裂性。 应用前景:由于该钢性能优良，使用温度可达6 5 0 c ，可在电站锅炉中的高 温过热器、再热器部分代替t p 3 0 4 h 和t p 3 4 7 h 应用，可望改善钢管的运行性能， 避免或减少异种钢接头，具有较大的实际意义。用在亚临界锅炉上可用其代替 t p 3 4 7 h 和t 9 1 厚壁管。该钢作为现有、将来锅炉的最高温度区以及超临界压力 锅炉管道用钢，必将得到广泛应用。 1 . 2合金元素的作用 人们对合金元素影响耐热钢性能的机理己进行了很多的研究。一般认为，由 于存在合金元素而使固溶体强化和稳定， 即合金元素使a 固溶体中析出热力学稳 定的弥散合金碳化物， 作为耐热钢高温强化的重要来源。 但以前的工作所得出的 结论也并未取得一致的认识， 特别是关于合金元素如c r , m o , v , n b 等在基体中 究竟是由于元素的固溶强化，还是由于形成合金碳化物沉淀强化了钢的热强性 能， 近年来也有不同的看法， f o l d y n a 与p r n k a 认为， a - f e 基体中合金碳化物的 沉淀析出为 强化的主要方式， 它与析出相颗粒的大小， 形状及间 距等有关27 , 2 9 另外，有人认为 合金元素主要使基体得到强化才起作用的。 j a k o b v a与 a r g e n t 认为， 钢的热强 性能主要取决于合金原子在基体中的 溶解情况2 5 . 2 6 合金元素的存在和变化对高c r ( 8 - 1 4 % c r ) 型耐热钢的组织和性能具有很大 的影响。这里就国内外的研究成果简述如下: 1 . 2 . 1 c r 的作用 在高 c r 钢中，c r的作用主要有三:一是提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性 能;二是固溶于基体中起固溶强化作用;三是形成m , c 。 和m 2 3 c 。 起沉淀强化作 用。同时c r 的存在强化了w c ， 但c r 含量的增加也减少了v , c 。 的析出 ， ， 加 速了m 7c j -m 2 3 c 。 的转化【 。 此外，在含m o 钢中，加入c r 能改变m o 在碳化物 和固溶体之间的分配，当加入的c r 不足以形成渗碳体以外的其它碳化物时， c r 能使m 。 从渗碳体中被排除， 溶入基体;当加入的c r 已可形成渗碳体以外 的其他类型碳化物时，将引起m o 碳化物减少，也同样使m 。 溶入基体中1 4 近年来一些研究表明: 9 %c r 型马氏体耐热钢的韧性随c r 含量的降低而 得到改善。这是因为 c r告量的降低有利于减少 9 %c r型马氏体耐热钢中6 铁 素 体 的 含 量 。 5铁 素 体 含 量 的 预 测 值 由 下 式 给 出 : f p % = 一 1 0 4 - 5 5 5 c - 4 7 6 n + 3 2 . 9 s i - 4 9 . 5 m n - 8 . 7 n i + 1 2 . 1 c r + 3 9 . l m o + 4 6 . 1 v + 8 3 . 5 n b - 6 9 7 b 另一方面， c r 含量被确定在8 % 左右是为了 获 得完全马氏 体( m ) 组织， 华北电力大学硕士学位论文 这样即使在该 类型钢中添加有利于铁素体形成的w 和v 合金元素，也能得到 上述马氏体组织; 另外， t 9 1 / p 9 1 钢中含9 % c r 可将基体再结晶温度提高到超 过5 2 5 0c ， 这样有利于固溶强化作用的发挥; f u j i t a 等人研究了c r 含量在3 - 1 5 % 变化时c r - 2 m o - v - n b 钢的持久强度和显微组织，发现含 c r 9 - - 1 0 % 的钢回 火抗力最高，因而大大降低了基体的回复速率。这有助于位错强化作用的发 挥。综合考虑上述韧性、强度、固溶强化与位错强化等因素，t 9 1 / p 9 1钢中 含 9 % c r 是较理想的。 1 . 2 . 2 m 。 的作用 随m 。 含量的增加( m 。 含量不能超过1 . 0 % ) ，在温度不超过6 5 0 时，以 及6 5 0 左右短期内蠕变强度增加，室温韧性增加。m o 在高温回火时，能形 成m 2 c 和ic 两种亚稳定碳化物。随m 。 含量增加，沉淀硬化相m , c , m 6 c 增加， 因 f e 与m 。体积比差大，使位错密度增加，固溶强化也增加。当m o 含量较 低时( m o : c 0 . 5 ) ， 含 m o 钢在长时期下使用( 如6 5 0 时效) ， m 2 c m , c 会消失， 而 析出 球状及盘状的l a v e s 相f e 2 m o +o , 3 2 7同时也会生成含v 的l a v e s 相， 构成长期使用中热强钢的主要强化相3 2 ) 。 所以， 在6 5 0 以下， 增加m 。 含量 ( 6 5 0 时，长期使用，随 m o , v 含量增加， m i c , m 2c 粗化、消失， l a v e s 相也由 共格盘状向半共格或非 共 格 球 状 过 渡， 降低 蠕 变 强 度 ” 。 此外，m 。还可以提高材料的韧性，其定量表述式为: f a t t = - 6 . 9 十 2 3 , 1 6 p - 4 3 c r - 1 0 8 m o + k 3 6 o m 。能有效地降低脆性转变温度，其原因是 m 。 能降低p 在a 铁的溶解度，抑制s b , s n 引起的脆