现代火电锅炉用新型热强04-06-11.ppt

现代火电锅炉用新型热强钢及其焊接中国电力企业联合会杨富二四年六月,1、引言2003年底我国电力装机容量达到3.914亿千瓦，全年发电量达19052亿千瓦时，全国发电装机容量和全年发电量均居世界第二位2020年全社会用电达到3940043200亿千瓦时左右,需要装机8.2亿9.5亿千瓦大力发展水电，优先发展煤电，积极发展核电。,提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数,即提高蒸汽的压力和温度.（见表1.1蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系）,提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材料耐高温、高压问题,我国正在建设的300MW及以上的亚临界、超临界火电机组，已经采用了这种新型细晶强韧化铁素体热强钢系列中的SA213-T91、SA335-P91；将要建设的USC火电机组还要大量采用这种新型细晶强韧化铁素体热强钢系列中的SA213-T91、T92、E911、T122；SA335-P91、P92、P122及新型奥氏体热强钢Super304H、TP347HFG、HR3C。,广大电站焊接工作者必须转变几十年来焊接传统的低合金热强钢形成的观念。对这种新型热强钢的强化机理、焊接性、焊接工艺、热处理工艺、检验方法、焊工培训及焊接管理等方面进行深入的研究和实践，加大电站焊接科研力度，加大对焊接及相关专业人员的技术培训，进一步提高专业技术素质，以保证我国火力发展目标的实现。,2.发展高效率、高参数、大容量火电机组是当代世界火力发电的共同发展趋势2.1火电大机组锅炉蒸汽温度、压力参数的发展和选用,表2.1蒸汽参数与机组效率关系（IHI提供）,图2.1蒸汽参数与机组效率的关系（三菱提供）,IHI公司和三菱公司蒸参数选用的发展历史分别见图2.2、图2.3。,图2.2IHI公司锅炉蒸汽参数发展历史,图2.3三菱重工公司锅炉蒸汽参数发展历史,由于具有划时代意义的T91/P91钢的研制成功，到20世纪90年代初和90年代末，电站锅炉蒸汽温度参数分别达到593和610。显而易见，从20世纪50年代初到90年代末的40年间，电站锅炉用热强钢发生了一场质的变革，这也必然促进了电站焊接技术的发展。,2.2我国与国外在超临界机、超超临界机组方面的比较,国家科技部863计划“超超临界燃煤发电技术”课题研究结论：推荐现阶段我国发展超超临界机组参数为：25MPa28MPa，温度为600/600，一次再热。,目前世界上运行的超临界及以上参数机组大约有600台，其中美国170台，日本、欧洲各60台，俄罗斯及原东欧国家280余台；有10台1000MW级的超超临界机组已投入运行。,由此可见，我国在发展超临界、超超临界机组方面，特别是在国产化方面与国外先进国家还有相当大的差距。,3.火电大机组锅炉用钢发展趋势3.1超临界、超超临界锅炉关键承压部件用钢要求锅炉中关键承压部件包括水冷壁、过热器、再热器、联箱及管道等。3.1.1.水冷壁,T23（HCM2S）/T24（TCrMoVTiB10-10）许用金属壁温可达600，是蒸汽温度620以下锅炉水冷壁的最佳用钢。,3.1.2过热器、再热器过热器、再热器管的金属壁温比蒸汽温度高出达2539（我国规定为50）。在燃煤含硫量低、烟气腐蚀性较小的条件下，在壁温600时，可选用T91钢；当壁温620时，可选用T92、T122、E911钢；当壁温650时，可选用NF12、SAVE12钢。,采用含硫量高、腐蚀性大的燃煤时，在壁温600时，应选择TP304H、TP321H、TP316H、TP347H奥氏体热强钢，细晶奥氏体热强钢Super304H和TP347HFG蠕变强度高，抗烟气腐蚀和蒸汽氧化性能更好。当壁温达700时，只能选用高铬热强钢NF709、SAVE25和HR3C等。,3.1.3.联箱与管道当壁温600时，选用P91钢；当壁温620时，选用P92、P122和E911钢；当壁温650时，选用NF12和SAVE12钢。,3.2超临界、超超临界锅炉用钢的发展趋势,3.2锅炉用钢的发展历程3.2.1铁素体钢铁素体钢的发展可以分为两条主线，一是纵向的主要耐热合金元素Cr成分逐渐提高，从2.25Cr到12Cr；二是横向的通过填加V、Nb、Mo、o等合金元素，小时的蠕变断裂强度由35Mpa级向60MPa级、100MPa级、140MPa级、180MPa级发展。,3.2.1.1低合金热强钢低合金热强钢其含Cr3，含Mo1%，是壁温580的亚临界以下参数锅炉的常用钢材。,3.2.1.2EM12钢的开发60年代比利时开发，法国用于620的过热器和再热器管。由于该钢种是二元结构，冲击韧性差，后来未得到广泛应用。,3.2.1.3钢102的开发多元复合强化热强钢，主要用于壁温600的过热器、再热器管。,3.2.1.4T23（HCM2S）、T24钢的开发T23、T24钢是超临界、超超临界锅炉水冷壁的最佳选择材料；并可应用于壁温600的过热器、再热器管、P23可以用于壁温600的联箱。,3.2.1.5F11、F12的开发德国于60年代开发，用于用于壁温达610的过热器和壁温达650的再热器以及壁温为540560的联箱和蒸汽管道，但其含碳量高，焊接性差。目前已不生产。,3.2.1.6典型的新型铁素体热强钢T91/P91钢的开发T91/P91钢的研制成功具有划时代意义。成功地把电站锅炉蒸汽温度参数提高到593610。,3.2.1.7T92/P92、T122/P122钢的开发T92/P92、T122/P122在壁温620时完全可以取代超临界和超超临界锅炉中的奥氏体过热器、再热器管，并可用于壁温620时的主蒸汽管道。,图3.1许用应力与温度的关系曲线,表3.2T92与奥氏体钢在高温下许用应力的对比,图3.2主蒸汽管选用材料的比较,3.2.1.8NF12、SAVE12新型铁素体热强钢的开发NF12、SAVE12钢是为了提高超超临界锅炉效率正在开发的能够用于650的铁素体热强钢。,3.3典型的铁素体热强钢蠕变断裂强度,3.2.2奥氏体钢奥氏体钢的发展见图3.5,3.2.2.1新型细晶奥氏体热强钢Super304H的开发Super304H是TP304H的改进型，添加了3Cu和0.4Nb获得了极高的蠕变断裂强度，600-650许用应力比TP304H高30%，是超超临界锅炉过热器、再热器的首选材料。,3.2.2.2TP347HFG的开发TP347HFG钢是通过特定的热加工和热处理工艺得到的细晶奥氏体热强钢。比TP347H粗晶钢的许用应力高20%以上。TP347HFG钢的应用对降低蒸汽侧氧化是一个有前途的对策，已被广泛应用于超超临界机组锅炉过热器、再器热管。,3.2.2.3HR3C钢的开发HR3C是日本住友金属懂得钢牌号，在日本JIS标准中的材料牌号为SUS310JITB，正在ASME标准中的材料牌号为Nb。HR3C钢是TP热强钢的改良钢种。在TP347H热强钢乃至新型奥氏体热强钢Susper304H和TP347HFG钢不能满足向火侧抗烟气腐蚀和内壁抗蒸汽氧化的工况下，应选用HR3C热强钢。,4.火电大机组焊接技术的现状及发展趋势,4.1电力行业焊接P91新型铁素体热强钢的历史回顾4.2新型铁素体热强钢的焊接性4.2.1.焊接冷裂纹,图4.1（a）T23、P91钢和P22钢焊接接头斜Y型坡口试验裂纹率与预热温度间的关系,图4.1（b）P22（HCM12A）钢与P91钢焊接接头斜Y型坡口试验裂纹率与预热温度间的关系,图4.1（c）P92钢（NF616）钢焊接接头斜Y型坡口试验裂纹率与预热温度间的关系,对冷裂纹敏感性是按：T23P92P122P91P22的顺序增高；而合金含量是按P22T23P91P92P122的顺序增加的。显然这与采用传统碳当量评估冷裂纹结果完全不一致。,防止P91钢焊接接头产生冷裂纹的措施：（1）严格控制预热温度和层间温度（2）严格控制焊缝的含氢量，防止氢致延迟裂纹的产生（3）减少焊接缺陷，降低焊接接头应力状态,4.2.2.焊缝韧性低影响P91钢焊缝韧性的因素分析及改善的途径（1）焊接方法的影响,（2）焊缝化学成分的影响,（3）预热、层间温度的影响预热温度和层间温度是通过降低焊接残余应力，减缓马氏体转变时的冷却速度，防止生成粗大的马氏体，而达到防止焊缝产生冷裂纹的目的。,图4.2焊接热循环图,（4）焊接线能量的影响,E=60UI/V（J/cm）E焊接线能量（J/cm）U电弧电压（V）I电流（A）V焊接速度（cm/min）,焊接线能量大，焊缝金属在高温（1100以上）停留时间长，晶粒长大变脆，致使焊缝韧性降低。,由线能量公式分析可以看出，因手工电弧焊均采用短弧焊，电弧电压一般为20伏24伏不变，可假设电弧电压为常数。降低焊接线能量，要综合考虑调节焊接电流和焊接速度两个参数，不能单纯的降低焊接电流。,若焊接电流降得过低，由于熔池的铁水黏度大，流动性差，易造成未焊透、未熔合、夹渣等缺陷。焊接电流应控制在保证铁水拉得开，熔池清晰，熔合良好，在此前提下，提高焊接速度，减少焊层厚度，达到降低焊接线能量的目的，因此焊层厚度是焊接线能量的直观反应。,图4.3P91模拟热循环试样韧性与t8/5的关系,（5）焊后热处理规范的影响,图4.4在RT下纯焊缝金属PWHT条件（温度/时间）对焊缝冲击韧性的影响,图4.4埋弧焊与手工焊热处理时间与焊缝金属韧性之间的关系,4.2.3热影响区软化及型裂纹,图4.6焊接接头裂纹的分类,4.3P91、P92钢焊接工艺要领4.3.1.推荐的P91、P92钢焊接热处理热循环曲线如图4.7所示,图4.7焊接热处理热循环曲线图,4.3.2.选择焊接材料的原则（1）保证具有和母材相当的物理性能和常温、高温力学性能。（2）纯焊缝金属的AC1应与母材相当，且Creq10。（3）焊缝的含氢量应符合碱性低氢型焊接材料标准。（4）焊接操作性能优良、工艺性能好。,4.3.3.推荐选用2.5mm的焊丝打底，2.5mm、3.2mm的小直径焊条填充盖面。施焊前，焊接材料要严格按使用说明书规定，置于专用的烘箱内烘焙，施焊时，应放大80120的便携式保温筒内随用随取。,4.3.4焊接过程中要严格控制层间温度为200300。4.3.5.注意热电偶的安装位置，并固定牢固，确保测温的准确。,4.3.6.焊接时要采用小线能量，线能量控制在17KJ/cm22KJ/cm范围内，多层多道焊，焊道厚度控制在2mm3mm为宜，焊道不得超过焊条直径的3倍，并且盖面层焊退火焊道。4.3.7.焊后热处理参数要严格按焊接材料说明书提供的参数确定，并通过工艺评定验证。,4.3.8.当焊接头不能及时进行热处理时，应于焊后即时加热温度为350,恒温1小时的后热处理。4.3.9.焊接完毕，焊工、焊接质检员要严格按标准进行焊缝外观检验，外观质量合格后，方可进行无损、硬度、金相组织检验。,4.3.10.返修焊补的焊接接头，必须重新进行焊后热处理和无损、硬度检验。且同一焊缝返修不得超过两次，否则应割掉重新焊接。4.3.11.异种钢焊接，要严格按“火力发电厂焊接技术规程”选择焊接材料，确定焊接工艺和热处理工艺。,5.对未来电站焊接技术的展望和建议,5.1关于火电焊缝质量合格率观念的更新合格率的含义除包含无损检测一次合格率外，还应包含“使用性能合格率”。就是确保施工时的焊接工艺与焊接工艺评定时完全一致。,5.2焊工培训标准观念的更新既要培训焊工的手艺，又要培训焊工的焊接工艺评定意识。,5.3焊工操作手法观念的更新改变50年来形成的“大电流、断弧焊、大线能量、厚焊层、宽摆幅”的操作手法。掌握“小线能量、快速连弧、小摆幅、薄焊层、多层多道焊”的操作方法。,5.4关于电站锅炉用钢焊接性评估方法及马氏体热强钢韧性评价观念的更新传统的碳当量计算式不能用来评估这类钢的裂纹倾向即焊接性。P91这类热强钢均是低碳马氏体组织，经过焊后热处理，这类钢的焊缝组织为低碳回火马氏体，焊缝韧性很好。,5.5关于控制焊前预热温度和焊接层间温度观念的更新对于P91这类新型热强钢来说应必须严格限制其预热温度和层间温度不能超过工艺评定规定的温度，过高的预热温度和层间温度不仅对防止裂纹来说没有必要，反而有可能使焊缝韧性和接头蠕变强度达不到要求。,5.6关于电站锅炉焊缝金属和部件韧性观念的更新为了保证在常温或低温下进行运输、吊装、水压试验、机组的启停和检修时的安全，不发生脆性破坏，必须保证焊缝和