超超临界机组主蒸汽管道用材料的比较1.doc

超超临界机组主蒸汽管道材料性能比较王开龙，徐 鸿，刘 学，段 丽（华北电力大学（北京）能源与动力工程学院，北京，102206）摘要：本文首先简单介绍了超超临界机组主蒸汽管道材料的现状及今后发展趋势；随后列出了目前超超临界机组主蒸汽管道常用的三种热强钢P92、P122及E911钢化学成分，对其的力学性能、焊接性能、抗氧化性能和持久强度进行了较系统的比较，阐述了化学成分的微小差别对其材料性能的影响。为今后我国进行超超临界机组主蒸汽管道材料性能的研究提供参考。关键词：超超临界机组；P92钢；P122钢；E911钢；材料性能The Comparing for Ultra Supercritical Unit Main Steam PipelineMaterial PropertyWang Kailong,Xu Hong, Liu Xue, Duan Li(School of energy and power engineering ,NCEPU,Beijing,102206)Abstract: At first,this paper has briefly introduced the current situation of the main steam pipeline material of ultra supercritical unit and development trend in the future; Afterwards, have listed present three kinds of commonly used hot strength steel P92,P122 and E911 steel chemical composition for ultra supercritical unit main steam pipeline. Have carried on systematic comparison to its mechanical properties, welding property, anti-oxidation property and sustained strength, explained the impact on its material properties of small difference of chemical composition. Offer reference to the research that our country carries on ultra supercritical unit main steam pipeline material properties in the future.Key words : Ultra supercritical unit; P92 steel; P122 steel; E911 steel; Material property作者联系方式：北京华北电力大学36号信箱 邮编：102206 王开龙手机：138100328451 概述由于环境、经济效益和能源的要求，使得电厂要求向高效率的方向发展，目前国内外正在开发多种洁净煤发电技术，即：循环流化床(CFBC)、增压流化床联合循环(PFBC-CC)、整体煤气化联合循环( IGCC) 以及超临界(SC) 与超超临界技术(USC)。采用这些洁净煤发电技术即可以节约能源、减小对环境的污染（减少SO2、 NOx 和CO2的排放），还提高了电厂的发电效率。目前，增压流化床联合循环(PFBC-CC)和整体煤气化联合循环(IGCC)尚处于试验或示范阶段, 在技术上还存在许多不完善之处。超超临界技术在国外已经有一套相对完整而成熟的设计、制造技术。因此，大容量超临界和超超临界机组将是我国洁净煤发电技术的主要发展方向, 也是解决电力短缺、能源利用率低和环境污染严重等问题的最现实和最有效的途径。超超临界发电技术是采用提高蒸汽的温度和压力来实现电厂效率的提高。在185535温度区间，压力提高到300Pa效率提高约1.9，而温度提高到650效率可提高5.7。因此，主要是通过提高蒸汽温度来提高电厂效率。但是现在参数的提高受到材料的制约，要求材料具有足够的蠕变强度及持久强度以承受高压和高温的条件，而且需要材料具有良好的综合性能（如：热加工性，焊接性和热弯曲性）。超超临界机组主蒸汽管道的材料主要是铁素体/马氏体钢，我们所研究的主要也是铁素体钢。对于奥氏体钢，由于奥氏体钢弱的热传导性和大的热膨胀系数使得主蒸汽管道十分容易产生热疲劳。铁素体钢的发展主要有四代，如：表一所示。表一：铁素体钢四代的发展阶段年代合金成分变化蠕变断裂强度（105小时）MPa钢种最高使用温度（）11960-7012Cr和9Cr Mo钢中添加Mo, Nb, V60EM12, HCM9M,HT9, HT9156521970-85对C, Nb, V优化100HCM12, T91, HCM2S59331985-95用W代替部分的Mo140P-92, P-122(HCM12A,NF616)6204目前增加W含量，添加Co180NF12, SAVE12650未来材料的发展还有陶瓷复合材料，它在高温下的性能好于传统的合金金属材料，但是陶瓷复合材料比较脆，使得它在服役期间会产生突然的失效，而且造价比较高，现在只是处于研究阶段。2 主蒸汽管道常用钢在美国传统的管道用钢是低合金钢P11和P22。随着温度和压力的增大，这种钢的管道出现的很多问题，不能满足电厂的需要，随后就研制开发了一些铁素体钢，它们可以运行在593，如： HT9, HT91, HCM9M, HCM12和P91钢。P91合金钢蠕变断裂强度好于HT9, HT-91和HCM9M，因此广泛应用于温度低于595的主蒸汽管道中，而且国内外对P91钢的研究已经十分透彻，它也广泛应用于超临界机组管道中。对燃煤电站，P91钢的最高效率(X10CrMoVNb91)已经在丹麦的425MW机组达到了47，只有通过新改进的管道应用材料的使用，提高蒸汽参数达到进一步的热效率提高才是可能的。随着蒸汽参数的提高，国外又开发了新的材料，主要部分的工作已经在日本和欧洲完成，最突出的是日本的NF616和HCM12A，它们分别被美国材料试验协会和美国机械工程师协会标准化为P/T92和T/P122。还有欧洲开发的E911钢，这三种钢是国内外主蒸汽管道常用材料。因此我们有必要研究它们的性能，将它们进行对比。3.P92、P122和E911钢的比较3.1 P92、P122和E911钢的化学成分P92、P122和E911钢的化学成分可以见表二，如下所示：表二：P92、P122和E911钢的化学成分（质量）钢种CSiMnCrNiMoWVNbBNCuAlP920.070.13Max.0.500.300.608.509.50Max.0.400.300.601.502.000.150.250.040.090.0010.0060.0300.070Max.0.040P1220.070.13Max.0.50Max.0.7010.012.5Max.0.500.250.601.502.500.150.300.040.10Max.0.0050.0400.1000.301.70Max.0.040E9110.090.130.100.500.300.608.509.500.100.400.501.100.501.100.180.250.0600.1000.00050.00500.0500.090Max.0.0403.2 P92、P122和E911钢的性能的比较 912Cr耐热合金钢应用在超超临界机组主蒸汽管道中，所以这些钢种都使用在高温高压下，因此要研究它们的高温性能，而且它们以其良好的高温性能引起广泛的关注。从表二可以看出，P92、P122和E911钢都是912Cr耐热合金钢，而且也是目前在超超临界机组主蒸汽管道中的常用钢种，但是它们的性能也是有差别的。 P92、P122和E911铁素体钢在不同的温度下许用应力的比较，如下图一：图一：P92、P122钢许用应力的比较 为了对比方便，图一也画出了P91钢在不同的温度下许用应力，从图中可以很清楚的看到，P122和P92钢在高温下的许用应力比P91大。P92、P122和E911钢使用在超超临界机组主蒸汽管道中，由于在高温下有很高的许用应力，可以使主蒸汽管道的壁厚减薄，这样不仅可以减小管道的热应力，使超超临界机组的起停更加灵活，而且可以减小电厂的投资。P92、P122和E911高铬钢持久强度的比较（条件600,105下），如下，表三所示：表三：P92、P122和E911高铬耐热钢在600,105下的持久强度钢种热处理工艺持久强度（Mpa）P922h10702h775，空冷115P122110E911118P910.5h10501h750，空冷94从表三可以看出在600，105h下，P92、P122和E911高铬耐热钢的持久强度相差不多，但比P91钢都有所提高。 P92、P122和E911钢其它性能的比较，P92钢是用微量的W元素代替P91钢中部分的Mo而研制成的，它有较高的许用应力，可以应用于620的主蒸汽管道，P92钢的焊接性能的研究正在我国哈尔滨锅炉有限公司进行。P122钢与P92钢可以从表一中看出，P122钢中含有少量的Cu，增加了W的含量，而减少了Mn的含量，也可应用于620的主蒸汽管道，且具有较好的可焊性。用Cu元素部分代替Ni可以提高蠕变强度。E911钢成分和P92钢的成分和性能都相似，研究表明，E911钢的焊接性能好于P92钢【8】。当温度高于620时，9Cr钢的抗氧化性能是有限的，因此可用12Cr钢或者奥氏体钢，在这种情况下，P122的抗氧化性能好于其它两种钢种。P92、P122和E911钢，这些高铬耐热钢的高温强度主要都是由于沉淀物的硬化引起的，显微组织结构中沉积物的稳定性对材料的蠕变特性的影响是十分重要的，在蠕变过程中，沉淀物的形成，存在相的生长及新相的形成都会决定材料的蠕变强度，因此我们有必要对它们的显微组织结构进行研究比较，一般进行显微组织观测的技术是“透视电子显微技术（TEM）”和“原子渗透离子显微技术（APFIM）”。这三种材料经过热处理后观测表明，沉淀物相的类型主要是M23C6碳化物沉淀、MX和Laves相。P92、P122和E911钢，由于化学成分的差异，其显微组织也有所不同。P92钢：M23C6碳化物沉淀、VN和Laves相沉淀物的平均大小和体积分数是由蠕变时间和温度决定的，由蠕变引起的应变会加快碳化物颗粒M23C6的粗化，而对VN氮化物的粗化的影响不大。这是由于溶解物牵引效应使得取代的原子产生位错而引起的，在蠕变实验阶段，都会产生微粒边界的运动和自由位错。Hald研究表明，Mo的溶解和扩散控制着M23C6碳化物颗粒的粗化，因此，由位错引起的Mo原子扩散的加剧可以用来解释蠕变引起的应变会加快碳化物颗粒M23C6的粗化。而在蠕变期间，VN氮化物颗粒沉淀的体积分数基本保持不变。当P92钢材料在600，蠕变时间为10,608h后，Laves相沉淀物的平均大小和体积分数是定量的，变化就不大了，这主要是由于在650时材料的蠕变实验中Laves相颗粒的密度太低而且Laves相颗粒的平均直径太大（大约为0.5um），使得我们所采用的TEM技术不能得到准确的结果。P122钢：由表二我们可以看出，P122钢中含有铜元素，其它元素的含量和P92钢相似，因此，除了P122钢中含有可见的富Cu相外，P122钢的微观组织结构和P92钢相似。1995年，Hald进行了P122钢的蠕变老化实验，材料的热处理工艺是锻造和空冷，回火2h770。对P122钢实验在600，1000h后进行观察，和P92钢相似，M23C6碳化物沉淀、VN和Laves相沉淀物是清晰可见的。而且富Cu相也是可见的，它稀少的分布在颗粒当中。(如下，图二所示).在老化过程中，富-Cu相颗粒的粗化是很快的，我们认为富-Cu相沉淀对材料长时蠕变强度的影响小于M23C6和VN相沉淀物。E911钢：E911钢的主要沉淀物颗粒类型是M23C6型碳化物、MC型碳化物和Laves相沉淀物。不同热处理及650 时效后E911钢管的显微组织都是M回火+碳化物，M23C6型碳化物分布在-Fe边界上，细小碳化物分布在-Fe 板条内部，Laves 相(大的碳化物) 形状上大多为工字钢、角钢的横截面形状，经650 时效后碳化物减少、位错增多,时效3 000h 后板条变明显了。随着持久时间的增长,亚晶粒由长形向等轴形转变,碳化物明显长大,并向晶界聚集,其中有相当一部分Laves 相。这样就会影响E911钢的高温性能。E911 钢的钨含量为0. 50 %1. 10 %。E911 钢与T91 钢成分上的差别是前者加入了钨和硼,硼起强化晶界的作用,从而提高持久强度。 以上对P92、P122和E911钢的性能进行了比较，它们是我国开展超超临界机组主蒸汽管道研究的主要材料，由于这些材料在国内还没有国产化，所以研究它们的性能是十分重要的。从上面的分析，我们可以得出一定的结论。图二：图片中两个富Cu相颗粒清晰可见4结论1P92、P122和E911钢是目前超超临界机组主蒸汽管道常用的材料，它们的化学成分相似，P122钢种含有Cu元素，而P92、E911中没有。2 92、P122和E911钢的持久强度都好于原来的P91钢，在不同温度下的许用应力也高于P91钢，也具有较高的抗氧化性，E911 钢在650 5000h 氧化后增重不超过0. 002g/ m2h ,为完全抗氧化性,可以在650 下的电站锅炉中使用。但是，P92钢的焊接性能相对要差，E911钢的焊接性能好于P92钢。3P92、P122和E911钢，这些高铬耐热钢的高温强度主要都是由于沉淀物的硬化引起的，显微组织结构中沉积物的稳定性对材料的蠕变特性的影响是十分重要的，在蠕变过程中，沉淀物的形成，存在相的生长及新相的形成都会决定材料的蠕变强度，这些钢的沉淀物类型都是VN, M23C6 和Laves相，但是P122中含有富-Cu相。P92钢用于600下是足够稳定的，在650下，由于快速的形成M23C6粗化的颗粒和大的Laves相颗粒，使材料强度降低。参考文献：1 R. Viswanathan, W. T. Bakker. MATERIALS FOR BOILERS IN ULTRA SUPERCRITICAL POWER PLANTS. ASME, 2000 International Joint Power Generation Conference,2000.2 Yoshio Shimogori. Ultra Super Critical Pressure Coal Fired Boiler. BABCOCK-HITACHI K.K.3 K. Rodak, A. Hernas, A. Kiebus. Substructure stability of highly alloyed martensitic steels for power industry. Materials Chemistry and Physics, (81)2003:483485.4 Mats Hattestrand , Martin Schwind, Hans-Olof Andren. Microanalysis of two creep resistant 912% chromium steels. Materials Science and Engineering,A250 (1998):2736.5 Mats Hattestrand, Hans-Olof Andren.Evaluation of particle size distributions of precipitates in a 9% chromium