超(超)临界锅炉用新型耐热钢的焊接及热处理

超（超）临界锅炉用新型耐热钢的焊接及热处理中国电力企业联合会杨富二六年十一月1提要带来的问题中国选择的解决办法发展火电环保超超主要技术难题临界机组材料、焊接及热处理技术21、引言中国电力工业的发展历程和现状年代装机容量1949年末18486万千瓦1980年6500万千瓦1987年1亿千瓦1995年2亿千瓦2000年3亿千瓦2004年44亿千瓦2005年517亿千瓦32005年发电量达24747亿千瓦时。其中火电24975亿千瓦时，水电3952亿千瓦时，核电523亿千瓦时。全国发电装机容量和全年发电量均居世界第二位。但是我国年人均用电量为189417千瓦时，相当于美国的1/7，日本的1/4，韩国的1/3。年人均生活用电量仅为217千瓦时,相当于美国的1/20，日本1/10。因此发展仍然是电力工业首要的和长期的任务。4截止2005年底火电装机100MW199MW燃煤火电机组447台200MW299MW燃煤火电机组225台300MW399MW燃煤火电机组339台（含超临界300MW4）500MW900MW燃煤火电机组83台（含超临界500MW4，600MW10，800MW2，900MW2）全国装机容量超过1000MW电厂130座，其中火电104座，水电22座，核电4座52020年全社会用电达到4500052000亿千瓦时左右,需要装机11亿千瓦左右。我国电力发展的基本方针是提高能源效率，保护生态环境，加强电网建设，大力开发水电，优化发展煤电，积极发展核电，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电。我国能源以煤碳为主，所以我国的能源发展政策是煤为主体，电为中心，保障社会经济的可持续发展。优化发展煤电，主要是提高燃煤发电机组的效率和减少污染物的排放。6发展燃煤发电机组，必然带来巨大的环境压力，烟气排放中会有更多的SOX、NOX和CO2，并排出大量的灰渣和污水。2005年我国煤炭年产量为219亿吨，但火力发电用煤约占全国煤炭总产量的50，燃煤发电产生的灰渣约占全国灰渣的70、烟尘排放约占全国工业排放的33、二氧化硫排放约占全国工业排放的56。优化发展煤电，提高火电机组效率、减少污染的洁净煤发电技术有循环流化床（CFBC）、增压流化床（PFBC）、整体煤气化联合循环（IGCC）及超临界（SC）与超超临界（USC）。7但是，CFBC、PFBC、IGCC等技术处于试验或示范阶段，在我国近期广泛发展是不现实的。从技术难度和现实性看，SC和USC配以常规的烟气净化装置已公认是一种洁净煤发电技术，是优化煤电结构的主要方向。符合当前中国的实际情况。8亚临界火电机组蒸汽参数P1619MPA，T538/538或T540/540。当蒸汽参数超过水临界状态点的参数（P22129MPA，T37412），统称为超临界机组，（SUPERCRITICAL）以（SC）表示。一般超临界机组的蒸汽压力为2426MPA，其典型参数P241MPA、538/538；我国正在建造的600MW超临界机组的参数为P254MPA、538/566；或P254MPA、566/566。9超超临界机组实际上是在超临界机组参数的基础上进一步提高蒸汽压力和温度，国际上通常把主蒸汽压力在24131MPA、主蒸汽/再热蒸汽温度为580600/580610机组定义为高效超临界机组，即通常所说的超超临界（USC）机组。国内正在建设的超超临界机组（USC）的主蒸汽P25265MPA、T600/600。102010年前预计建造600MW超临界机组约130台超超临界机组600MW10台（营口2台，阚山2台，河源2台，芜湖2台，铁岭2台）1000MW38台（玉环4台，邹县2台，外高桥三期2台，泰州2台，宁海2台，绥中2台，海门2台，平海2台，莱州2台，天津北疆4台，句容2台，蒲圻2台，北仑港2台，哈三2台，谏壁2台，古城2台，乌沙山2台,宁德2台）112发展高效率、高参数、大容量SC、USC机组是当代世界火力发电的共同发展趋势21火电机组锅炉蒸汽温度、压力参数的发展和选用12表21蒸汽参数与机组效率关系（IHI提供）型式亚临界变压超临界定压变压蒸汽参数（满负荷）169KG/CM2538/538246KG/CM2538/538246KG/CM2538/538效率100负荷基准17172450负荷基准04233013图21蒸汽参数与机组效率的关系（三菱提供）14提高火力发电厂效率的主要提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数途径是提高蒸汽的参数,即提即提高蒸汽的压力和温度高蒸汽的压力和温度（见（见表表11蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系）蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系）1516IHI公司和三菱公司蒸参数选用的发展历史分别见图22、图23。图22IHI公司锅炉蒸汽参数发展历史17图23三菱重工公司锅炉蒸汽参数发展历史181920提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材料耐高温、高压及焊接、热处理问题。21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，电站锅炉用耐热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。22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耐热钢系列中的SA213T91、SA335P91；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耐热钢系列中的SA213T91、T92、E911、T122；SA335P91、P92、P122及新型奥氏体耐热钢SUPER304H、TP347HFG、HR3C。23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耐热钢形成的观念。对这种新型耐热钢的强化机理、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，以保证我国火电发展目标的实现。2422我国与国外在超临界机、超超临界机组方面的比较2526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。27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。2829由此可见，我国在发展超临界由此可见，我国在发展超临界、超超临界机组方面，特别是在、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国产化方面与国外先进国家还有相当大的差距。相当大的差距。303SC、USC锅炉用钢发展趋势3131锅炉用钢的发展历程311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225CR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。3233343111低合金耐热钢低合金耐热钢其含CR3，含MO1，是壁温580的亚临界以下参数锅炉的常用钢材。353112EM12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。363113钢102的开发多元复合强化耐热钢，主要用于壁温600的过热器、再热器管。373114T23（HCM2S）、T24钢的开发T23、T24钢是超超临界锅炉上部水冷壁的最佳选择材料；并可应用于壁温600的高温过热器、再热器管。P23可以用于壁温600的联箱。383115F11、F12的开发德国于60年代开发，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。393116典型的新型铁素体耐热钢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。403117T92/P92、T122/P122、E911钢的开发在腐蚀条件比较小的情况下，仅从蠕变断裂强度考虑，T92、T12、E911在壁温620时完全可以取代超临界和超超临界锅炉中过热器、再热器的奥氏体钢管。P92、P122、E911可用于壁温620时的主蒸汽管道。41图31许用应力与温度的关系曲线42表32T92与奥氏体钢在高温下许用应力的对比许用应力（KG/CM2）600625650NF616876848SUS321H695239SUS347H785742NF616/SUS321H126131123NF616/SUS347H11211911443图32主蒸汽管选用材料的比较443118NF12、SAVE12新型铁素体耐热钢的开发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的铁素体耐热钢。4533典型的铁素体耐热钢蠕变断裂强度4647312奥氏体钢奥氏体钢的发展见图354849503121新型细晶奥氏体耐热钢SUPER304H的开发SUPER304H是TP304H的改进型，添加了3CU和04NB获得了极高的蠕变断裂强度，600650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。513122TP347HFG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耐热钢。比TP347H粗晶钢的许用应力高20以上。TP347HFG钢抗蒸汽氧化能力强，已被广泛应用于超超临界机组锅炉过热器、再器热管。523123HR3C钢的开发HR3C是日本住友金属命名的钢牌号，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TP310NB。HR3C钢是TP310耐热钢的改良钢种。在TP347H耐热钢乃至新型奥氏体耐热钢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耐热钢。5332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。54321水冷壁T23（HCM2S）/T24（7CRMOVTIB1010）许用金属壁温可达600，是蒸汽温度620以下锅炉上部水冷壁的最佳用钢。55水冷壁材料蠕变断裂强度56322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，仅从蠕变断裂强度考虑，当蒸汽温度为538（壁温580），选用T22钢；57当蒸汽温度为565时（壁温600），选用T23、T91钢管；当蒸汽温度为593时（壁温620），选用T92、P122、E911钢管。然而，在有腐蚀的条件下，即使最好的铁素体钢管也要受限于565的蒸汽温度，此时要选用奥氏体钢管。58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奥氏体耐热钢。当蒸汽温度600（壁温650）时应选择细晶奥氏体耐热钢SUPER304H和TP347HFG。当壁温达700时，只能选用高铬耐热钢NF709、SAVE25和HR3C等。5918CR8NI和15CR钢许用应力的比较60含铬量20以上的高铬奥氏体合金许用应力的比较61许用应力为49MPA时许用温度与铬含量的关系比较62铁素体钢热腐蚀重量损失和温度的关系63各种合金热腐蚀重量损失和CR含量的关系64各种合金火侧抗腐蚀性能比较65323联箱与管道蒸汽管道和联箱等厚壁承压部件，为了减少热疲劳损伤和提高蠕变强度，其用钢主要集中在热膨胀系数小的912CR铁素体耐热钢的发展。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。66铁素体耐热钢的许用应力67设计温度为570和600的主蒸汽管道许用应力比较6831MPA时P22、P91、P122钢联箱材料的价格比较69SC/USC锅炉承压部件用钢选择承压部件超临界超超临界水冷壁T1,T2,T11T1,T2,T11；T23/T24过热器再热器T12,T23,T91,TP304H,TP347HT12,T23,T91,SUPER304H,TP347HFG,HR3C主汽P91P92/P122/E911再热冷段AL672B70CL32A691CR11/4CL22再热热段P91P91给水管道WB36WB36707172737475767778798033新型耐热钢的应用概况81我国超临界机组应用新型耐热钢概况82新型耐热钢在日本超超临界机组中的应用83新型耐热钢在欧洲超超临界机组中的应用844火电大机组焊接技术的现状及发展趋势854火电大机组焊接技术的现状及发展趋势41电力行业焊接P91新型铁素体耐热钢的历史回顾42新型铁素体耐热钢的焊接性86421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87888990（2）焊缝化学成分的影响9192（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。93对于P91这类新型耐热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。94图42焊接热循环图95（4）焊接线能量的影响96E60UI/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）97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。98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。99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。100图43P91模拟热循环试样韧性与T8/5的关系101（5）焊后热处理规范的影响102图44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103图44埋弧焊与手工焊热处理时间与焊缝金属韧性之间的关系104105热处理方面存在的问题1、远红外线加热的内外壁温差大2、控制设备落后3、热电偶不定时校定4、热电偶的固定方法不当5、不同焊接位置的热传导问题注意不够106422焊接冷裂纹图41（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422焊接冷裂纹107图41（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108图41（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109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。110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111423焊接热影响区的软化通过热处理强化的铁素体钢，由于低于临介温度的过回火作用或在临界温度范围内微观结构的变化，在HAZ外端的硬度会下降，在对焊接接头进行高温持久强度试验时，往往断在这个部位，该部位称作软化带，焊接接头软化带的高温持久强度与母材同一温度的持久强度的比值称作热强系数。112113非均质的焊接接头中会发生相邻的“强区”对“软化带”的“约束强化”作用。采用小的焊接线能量焊接，可有效的减小“软化带”的宽度，从而起到“约束强化”作用。114424热影响区的型裂纹P91这类铁素体耐热钢在高温长期运行中，往往会在焊接热影响区的“细晶区”（AC3附近或AC3AC1区间）出现一种无明显塑性变形的低应力蠕变断裂，造成焊接接头蠕变断裂寿命低于母材的现象。英国人按裂纹产生位置分类方法，称这种裂纹为型裂纹。115在焊缝范围内发生的裂纹称为型裂纹；在焊缝内发生，但可延伸到热影响区的裂纹，称为型裂纹；在邻近熔合区的热影响区发生的裂纹，称为型裂纹；在邻近母材的热影响区发生的裂纹称为型裂纹。116焊接接头裂纹的分类117关于型裂纹形成的机理，目前尚无定论，近期研究结果提出系列理论，如合金元素偏聚、碳化物粗化，LAVES相沉淀、亚结构粗化、蠕变孔洞的形成、位错密度降低等。118为了防止产生型裂纹，焊接时在保证熔化良好，不生产焊接冷裂纹的基础上，应尽量不采用过高的预热及层间温度，不采用过大的焊接线能量，采取多层多道焊，焊层厚度为23MM，确保上层焊道对下层焊道的回火作用，尽力使热影响区型裂纹区变得窄一些，型裂纹区宽度越窄，其拘束强化作用越强，产生型裂纹的可能性越小。另外，还可以通过接头设计和制造过程中的一些措施得到缓解。119425P92钢焊缝的时效P92钢焊缝的时效倾向12043P91、P92钢焊接工艺要领431推荐的P91、P92钢焊接热处理热循环曲线如图47所示121图47焊接热处理热循环曲线图122432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。123433推荐选用25MM的焊丝打底，25MM、32MM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，应放入80120的便携式保温筒内随用随取。124434焊接过程中要严格控制层间温度为200300。435注意热电偶的安装位置，并固定牢固，确保测温的准确。125436焊接时要采用小线能量，线能量控制在15KJ/CM20KJ/CM范围内，多层多道焊，焊道厚度控制在2MM3MM为宜，焊道宽度根据焊工技艺水平和电流大小确定，并且盖面层焊退火焊道。437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。126438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。439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。1274310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。4311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。12844新型奥氏体耐热钢的焊接性分析、焊接技术难点及解决思路过热器、再热器用钢SUPER304HTP347HFGHR3C129SUPER304H、TP347HFG和HR3C钢的焊接技术难点是焊接接头有应力腐蚀裂纹倾向；焊缝接头有热裂纹倾向；焊接接头的时效和相脆化大量的异种钢焊接问题；联箱管接头角焊缝的焊接质量控制；角焊缝的检验方法。以上焊接难点均要在锅炉制造过程中解决，不应将异种钢焊接问题带到安装现场。但电厂在将来的检修中还会遇到这些问题。1305我国电站焊接技术发展中需要研究的若干问题13151关于电站锅炉用钢技术发展的跟踪与认识问题132511电站锅炉用钢焊接性评估方法及马氏体耐热钢韧性评价问题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这类耐热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。133在新型耐热钢焊接性评估技术方面不仅要重视采用间接估算方法，而且更应重视直接的焊接性试验方法；不仅要重视工艺焊接性，还应重视使用焊接性。134512新型耐热钢及其焊接试验的研究问题新型耐热钢的合金化原理、冶金特点新型耐热钢的常温及高温性能新型耐热钢及其异种钢的焊接性、焊接工艺及焊后热处理工艺新型耐热钢的热加工性能及工艺新型耐热钢及其焊接接头的服役后组织和性能的变化规律及寿命评估新型耐热钢匹配的焊接材料13552关于耐热钢焊接工艺实施中的问题521控制焊前预热温度和焊接层间温度的问题对于P91这类新型耐热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。136522新型耐热钢焊接线能量问题焊接时要采用小线能量，线能