超临界超超临界锅炉金属材料

1、超临界/超超临界锅炉金属材料 1 前言火力发电行业目前面临两方面的压力，首先市场竞争的加剧需要降低发电成本，另一方面人们对全球环境问题日益关注，要求电厂降低SOX、NOx、CO2的排放，满足严格的环保要求。发展洁净煤发电技术是解决这些问题的关键，就目前以及将来一段时间内，在众多的洁净煤发电技术中超超临界发电技术的继承性和可行性最高，同时具有较高的效率和最低的建设成本。发展大容量高参数机组，特别是超超临界机组将是我国火力发电提高发电效率、节约一次能源、改善环境、降低发电成本的必然趋势。而这一发展与大量新型耐热合金钢材的开发与应用是分不开的。可以说，电力技术的发展在很大程度上取决于材料技术的发展。

2、开发USC机组的关键之一，在于开发强度高，耐高温腐蚀、耐汽侧氧化、有良好的焊接和加工性能、经济上比较合理的新型钢材。自二十世纪九十年代以来，日本和欧盟研发了新的高温钢材，并经过试验机组的使用考验，从而扫清了发展汽温达600/610USC机组的障碍。2 定义对于火力发电机组，当机组作功介质蒸汽的工作压力大于水的临界状态点压力（Pc=22.115MPa）时，我们称之为超临界机组。目前常规的超临界机组蒸汽参数一般为24.2MPa/538/566或24.2MPa/566/566。所谓超超临界机组（Ultra Supercritical）是相对于常规超临界机组的蒸汽参数而言的，我国电力百科全书中称：通常

3、把蒸汽压力高于27MPa或汽温高于580的超临界机组称为超超临界机组；目前国外超超临界机组参数为初压力24.131MPa、主蒸汽/再热蒸汽温度580600/580610。国内正在建设的超超临界机组参数为在容量上分600MW和1000MW 2个等级；在蒸汽参数上，按汽机主汽门入口处计，采用25或26.5 MPa，600/600，一次再热。目前USC机组在我国发展迅猛，在建的1000MW USC机组已有三个工程6台机组，600MW USC机组已有二个工程4台机组。还有一些项目正在规划中。3 材料技术在超超临界发电中的作用超超临界机组相对超临界机组蒸汽温度和压力参数的提高对电站关键部件材料带来了更高

4、和更新的要求,尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、冷加工和热加工性能等，因此材料和制造技术成为发展先进机组的技术核心。国际上已经在运营或在设计建设阶段的超超临界机组温度参数大多在566620，压力则分为25MPa、27MPa和30-31MPa三个级别。高的蒸汽参数对电站用钢提出了更苛刻的要求，对锅炉来说具体表现在：高温强度 对于主蒸汽管道、过热器/再热器管、联箱和水冷壁材料都必须有与高蒸汽参数相适应的高温持久强度。高温腐蚀 烟气侧的腐蚀是影响过热器、再热器、水冷壁寿命的一个重要因素，当金属温度提高，烟气腐蚀将大幅度上升，因此超超临界机组中腐蚀问题更加突出。蒸汽侧的氧化 运行温度的提高加

5、剧了过热器、再热器甚至包括联箱和管道等蒸汽通流部件的蒸汽侧氧化，这将导致三种后果：氧化层的绝热作用引起金属超温；氧化层的剥落在弯头等处堵塞引起超温爆管以及阀门泄漏；剥落的氧化物颗粒对汽机前级叶片的冲蚀。因此在过热器、再热器等材料选择中应充分考虑到抗蒸汽氧化及氧化层剥落性能。热疲劳性能 由于机组启停、变负荷和煤质波动引起的热应力，对于主蒸汽管道、联箱、阀门等厚壁部件，材料的抗热疲劳性能是与高温强度同等重要的指标，应在保证强度的前提下尽可能选择热导率高和热膨胀系数低的铁素体耐热钢。对汽机而言，其中的转子、叶片以及其它旋转部件承受巨大的离心力，运行参数的提高对耐热钢的热强性能提出了更高要求，而汽缸、

6、阀门等由于温度和压力的提高也需要更好的热强性能，高温紧固件需要有更高的拉伸屈服强度和蠕变松弛强度、在蒸汽环境下的抗应力腐蚀能力以及足够的韧性、塑性以避免蠕变裂纹形成。机组的启停、变负荷与煤质的波动要求厚壁部件如转子、缸体、阀门材料有低的热疲劳和蠕变疲劳敏感性。对再热蒸汽温度高于593的低压转子还必须考虑材料在该温度范围内的回火脆性。4 耐热材料的发展4.1合金元素的作用（一）碳的作用随着碳含量的增加，钢的室温强度提高，塑性下降，碳对钢的高温性能影响就比较复杂。随着含碳量的增加，钢的抗蠕变性能会降低，而且，在高温下长期使用时，其蠕变速度要增快。因为含碳量多，在高温时从固溶体中析出的碳化物必然增多

7、，会使固溶体中合金元素贫化，从而降低热强性。但含碳量也不宜过低，否则强度就太低。（二）铬的作用铬能使钢的性能在很多方面得到改善和提高。铬的主要作用为：（1）提高钢的耐腐蚀性能 铬的氧化物Cr2O3比较致密，钢的表面生成了Cr2O3能起保护膜作用，可有效地阻止钢被继续氧化。钢中含铬量越高，钢的抗氧化性能就越好，如图5-23所示。若含铬量超过12%以后，还能提高钢的电极电位，从而增加抗电化学腐蚀的能力，这一点在第二节中已经述记。（2）增加铁素体的强度，提高组织稳定性。（三）钼的作用钼是耐热钢中强化固溶体的主要元素.。钼溶入铁素体可使原子之间的结合力增大，会使晶格发生畸变，因而提高钢的强度。钼对钢的

8、抗蠕变能力的影响，如图5-24所示。含钼量愈高，钢的蠕变极限值也就愈高。（四）钒的作用钒是强的碳化物形成元素，在钢中能够形成细小、均匀、高度弥散分布的碳化物和氮化物微粒。这些化合物在550一600范围内比较稳定，因而能有效地提高钢的持久强度和抗蠕变能力。钒和碳的亲和力比钼和铬大，能阻碍钼和铬元素由固溶体向碳化物中迁移，避免和减少固溶体中钼和铬的贫化耐热钢中含钒量一般均小于0.4，含钒最过多钒的碳化物将要粗化，这对热强性反而不利。（五）其它元素的作用1钛和铌钛和铌也是强碳化物形成元素，钢中形成TiC和NbC后，在高温时其强度和稳定性均比VC为高。 常用钛和铌来防止或减少因溶体中钼和铬的贫化；钛和

9、铌与钒一样还能有效地防止不锈钢的晶间腐蚀。钛和铌常常与钼和铬等元素起复合加入到钢中，加入量通常也比较少。2铝和硅铝和硅在钢中能显著地提高钢的抗氧化性，加入到钢中主要是为了提高耐腐蚀性能。但是，铝和硅均能促进石墨化，所以其加入量需要予以控制。3. 镍镍能增加钢的淬透性，国而能提高钢的强度。镍还是扩大奥氏体的元素，在奥氏体类耐热钢中用得较多。加入镍使钢变成单相的奥氏体组织后，钢就具备了较高的抗蠕变能力和耐腐蚀性能。由于镍价格较贵所以可用猛代替镍，使钢变成为单相的奥氏体组织。4.2耐热钢的分类根据小截面正火后的金相组织，耐热钢可以分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢四大类。4.

10、2.1珠光体耐热钢珠光体耐热钢中所加入的合金元素主要为铬、钼、钒，而且其总含量一般在5以下，也称为低合金耐热钢，这类钢的组织为铁素体和珠光体；若正火时冷却速度较快，或合金元素含量较高，元素的种类较多，其组织则为铁素体和贝氏体。最常用的钢种有Cr-Mo系：12CrMo，15CrMo（550C）、13CrMo44、10CrMo910（580C）；CrMoV系：12CrMoV 、12Cr1MoV（580C）等。合金元素含量较低的铬钼钢主要用了500一510以下的蒸汽管道、联箱等零部件及540一550以下的锅炉受热面管子；合金元素含量较高的低碳铬钢和铬钼钒钢，则主要用于550以下的汽轮机主轴、叶轮、汽

11、缸、隔板及高温紧因件等。铬钼钢及铬钼钒钢性能：较高的抗氧化、耐腐蚀性，较高的高温强度和持久塑性，焊接性好，但易发生球化现象，在使用温度分别超过550和580后，其组织不稳定性加剧，高温氧化速度增加，持久强度显著下降。为适应580以上温度的需要，多采用提高含铬量并添加钛、硼等多种合金元素。如12Cr3MoVSiTiB(11)、12Cr2MowVB(钢102)，其使用温度高达600620。4.2.2马氏体耐热钢钢中如加入含量较多的能使等温转变曲线右移的合金元素，钢在空冷时就可转变为马氏体组织，这类钢就称为马氏体钢。应用得最早的马氏体耐热钢Crl3型钢，这类钢不仅有热强性，还具有较高的耐腐蚀性能。1

12、Cr13（480C）、2Cr13（450C）钢既可作为耐热钢，又可作为不锈钢使用。为提高Crl3型钢热强性，在这类钢的基础上添加钼、钨、钒、硼等合金元素。Cr12型：性能：相对于Cr13型钢，提高了热强性，如1Cr11MoV(540C)、1Cr12MoWV(580C)和lCrl2WMoNbVB(600C)钢，这类钢使用温度可提高，由于热强性能好，可用作汽轮机的末级叶片。4.2.3铁素体耐热钢（抗氧化钢）钢中加入相当多的铬、铝、硅等缩小奥氏体区域的合金元素，使钢具有单相的铁素体组织，就称为铁素体耐热钢。常用的有1Cr25Si2、1Cr25Ti等，这类钢抗高温氧化和耐腐蚀性能好，但热强性较差、脆性

13、大。铁素体耐热钢不宜用作受冲击载荷的零部件而只宜用于受力不大的构件，如锅炉吹灰器、过热器吊架、热交换器等。4.2.4 奥氏体耐热钢 钢中加入的合金元素，不仅使等温转变曲线右移，而且使MS线降低至室温以下，钢在空冷后的组织则仍然是奥氏体，这种钢称为奥氏体钢。 奥氏体耐热钢不仅热强性很高，而且还有较高的塑性、韧性和良好的焊接性能。加之是单相的奥氏体组织，因而又有优良的抗氧化性、耐腐蚀性能。缺点：切削加工性差、室温强度低、导热系数小、线膨胀系数大、易晶间腐蚀（400-800 C沿奥氏体晶界析出铬的碳化物，使奥氏体晶界附近含铬量11.7%而被腐蚀）、异种钢焊接易产生裂纹 奥氏体耐热钢是高合金多组元的钢

14、种，在火电厂热力设备中常用的有1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Mo、4Cr14Ni14W2Mo、1Crl5Ni36W3Ti；此外尚有以锰代镍的奥氏体耐热钢钢种：2Cr20MnSi2N、Mn17Cr7MoVNbBZr、Mnl8Crl0MoVB、Cr18Mn11SiN等。 1Cr18Ni9Ti是一种应用最为广泛的奥氏体耐热钢，其抗氧化工作温度可达700一900，在600左右的有足够的热强性，可用于6l0以下的锅炉过热器管、主蒸汽管，以及气轮机导管、阀体等。 4Crl4Ni14W2Mo钢具有更高的热强性和组织稳定性,常用于650以下超高参数锅铲、汽轮机的过热器管、主蒸汽管及其它重要零件。 1C

15、rl5Ni36W3Ti钢主要用于高压汽轮机汽封弹簧和650以下燃气轮机叶片及紧固件。 2Cr20Mn9Ni2Si2N钢抗氧化性能优良，可用于9001000过热器吊架及管夹等。 奥氏体耐热钢也可作不锈钢用。5 超临界/超超临界锅炉用钢5.1 新型铁素体锅炉用钢新型铁素体锅炉用耐热钢主要分为2 % Cr,9%Cr,12%Cr三大系列。2%Cr系列：(1) 2 25Cr-1Mo(T22/P22)钢:T22/P22钢在上世纪70年代已得到了广泛的应用。(2) 2. 25Cr-1. 6W-V-Cb (HCM2S或T23)钢:在T22/P22基础上，以W,V,Nb取代Mo，并降低C含量而得到的新型钢种，已

16、经列人ASME规范CASE2199o HCM2S(T23)比T22具有较高的蜗变抗力和性价比，具有优良的焊接性能而无须焊前或焊后热处理，应作为水冷壁、低温过热器等部件的首选材料。长期以来这类钢中的主力钢种包括锅炉材料P11、P22以及12Cr1MoV等和汽轮机材料1CrMoV（表2）。随后住友金属开发了T/P23，通过在T22基础成分中以W取代部分Mo并添加Nb、V提高蠕变强度，降低了C提高焊接性能，同时加入微量B提高淬透性以获得完全的贝氏体组织。与此同时，欧洲开发了T24/P24，其合金化特点是通过V、Ti、B的多元微合金化提高蠕变性能。T23在550的许用应力接近T91，600的蠕变强度比

17、T22高93%，T24的高温强度还要略高一些。这两种钢具有优异的焊接性能，无需焊后热处理即可将接头硬度控制在350-360HV10以下，因此适合作为超超临界机组的水冷壁材料，也可取代10CrMo910、12Cr1MoV等材料作为亚临界机组的高温管道和联箱，降低壁厚。9%Cr系列：(1) T91/P91(9CrIMoVNb)钢: T9 I /P91钢具有高的强度和韧性、抗热疲劳性能，作为620以下的过热器、再热器、联箱和主蒸汽管道用钢，在世界范围内已经得到广泛的应用。(2) 9Cr-2W(NF616或T92/P92)钢:在T91/P91基础上，以w取代了部分M。而得到的新钢种，已经列人ASME规

18、范CASE2179。比，T91/P91具有更高的许用应力。可用于620以下的过热器、再热器、联箱和主蒸汽管道。(3) E911钢:是一种欧洲牌号，其成分和性能与NF616(或，T92)相近。12%Cr系列：一般当温度在620以上时，9%Cr钢的抗氧化性能不能满足要求，需使用12% Cr钢或不锈钢。(1)X20CrMoVl21 和X20CrMoW V121(HT91)钢:在欧洲曾得到大量的应用，但是其焊接性能较差。(2) HCM12(12CrlMolWVNb)钢:在HT91的基础上通过降碳以提高焊接性能，以及W,V,Nb合金化而形成的，是一种占铁素体/马氏体双相钢。具有良好的焊接性能、高温强度和

19、抗氧化腐蚀性能，适用于600以下锅炉部件。(3) 12Cr-2W (HCM12A或T122/P122)钢:在HCM12基础上用w取代更多的Mo，并添加1%的Cu而得到的一种新型钢种，已经列人ASME规范CASE2180。其蠕变强度进一步提高，在600时许用应力比，T91提高约25%，并因为消除了a铁素体而使韧性得到提高。该钢种特别适用于620以下的厚壁部件。(4) TB12(12CrO.5Mol.8WVNb)钢:在T92基础上，通过增加Cr含量以进一步提高抗高温蒸汽氧化，调整固溶强化元素Mo, W等元素含量以改善提高综合性能而得到新型钢种。(5) NF12钢和SAVE12钢:正在开发中的耐热钢

20、，通过Ta,Nb等合金化，使600的强度提高到了6500，并已经在实验室得到验证。对于锅炉用9-12Cr钢，主要的要求包括蠕变强度和运行温度下的组织稳定性、高的AC1温度、良好的焊接性能和低的IV型裂纹敏感性、抗蒸汽氧化能图2锅炉用9-12Cr钢发展过程力、疲劳性能等。图2是锅炉用9-12Cr钢的发展过程。其中的T/P91钢是美国在80年代开发的一种综合性能优异的9%Cr钢，目前在我国的亚临界和超临界机组中得到了广泛的应用。在P91的基础上通过以W取代部分Mo获得了T/P92和E911（T/P911）两种新型钢种。在12%Cr钢中通过相同的合金化思想开发了P122，只是为了避免出现铁素体，其中

21、还加入了1%Cu。这三种钢高温强度比P91都有不同程度的提高，是目前阶段的超超临界机组（蒸汽温度620）的联箱和高温蒸汽管道的主要材料。下一代的9-12Cr马氏体钢是在这三种钢的基础上进一步增加W含量并添加Co，即NF12和SAVE12等，预计可以用到650。在汽轮机的转子、叶片、汽缸和阀体中对这类材料的性能要求包括：低周疲劳性能、蠕变强度、低的应力腐蚀敏感性、铸造性能等等。普通的12Cr钢作为565以下汽机转子锻件具有足够的持久强度和抗热疲劳性能以及韧性等。9-12Cr汽机用钢的合金强化趋势与锅炉钢是类似的。英国的12Cr0.5MoVNbN（H46）是发展的基础。美国五、六十年代在H46的基

22、础上降低Nb含量来降低固溶处理温度和保证韧性，并减少Cr含量抑制铁素体得到10.5Cr1MoVNbN（GE）以及GE调整型，同时还在12CrMoV基础上开发含W的12Cr%转子用钢AISI 422，这些钢与1.0CrMoV相比具有更好的性能，其中GE钢在565的超临界机组成功应用了25年。日本在H46基础上添加B开发了10.5Cr1.5MoVNbB（TAF）用于燃气轮机涡轮盘和小型汽机转子。但在运行在595和650的超临界和超超临界机组中上述钢种的蠕变强度尚不足。日本70年代开发了12Cr-MoVNb系列593级别的TR1100（TMK1）和TOS101和12Cr-MoVNbWN系列620级别

23、的TR1150(TMK2)和TOS107，更高合金含量的12Cr-MoVNbW 系列钢TR1200和12Cr-MoVNbWCoB系列钢TOS110则用于入口温度高于630的转子，其中TMK1和TMK2已被用于日本593以上的超临界机组。在欧洲也在COST 501下开发了9.5Cr-MoVNbB（COST“B”）、10.5Cr-MoVNbWN（COST“E”）和10.2Cr-MoVNbN（COST“F”）等一系列转子用钢，这些钢的原型锻件已被用于理化分析和短时和长时力学性能测试，其中COST“F”和COST“E”已应用于欧洲的超超临界机组。除了转子用钢，日本还开发了593使用的汽缸材料9.5Cr

24、1MoVNbN（TOS 301）以及更高温度使用的9.5Cr0.5Mo2WVNbN（TOS 302）和9.5Cr0.5Mo2WVNbNB3.0Co（TOS 303）。欧洲相应地开发了G-X12CrMoWVNbN9 1和G-X12CrMoWVNbN 10 1 1两种铸钢材料。5.2 新型奥氏体锅炉用钢新型奥氏体锅炉用不锈钢主要分为18 % Cr,20%-25%Cr两大系列。18%Cr系31：(1) TP304H, TP321H, TP316H钢:一般高温蒸汽下被广泛的使用，尤其是TP304H使用的最为普遍，但其容易敏化。(2) TP347H钢:奥氏体不锈钢经添加微量元素Nb作为稳定剂，降低了敏化

25、现象，具有较高的蠕变强度、抗蒸汽氧化、耐烟气腐蚀性能。这种材料具有较好的可加工性和可焊接性。但是，这种材料的热塑性远低于300系列的不锈钢，目前在亚临界一超临界发电机组已经广泛被使用。(3)TP347HFG(18Cr-lONi-Cb)钢:在TP347H的基础上，通过热处理使晶粒细化到8级以上，大大提高了抗氧化能力，对提高过热器管的稳定性起到了重要的作用，在许多超临界/超超临界机组上得到了应用。已经列人ASME 规范CASE2159o(4) 18Cr-9Ni-3Cu-Cb-N (Super304H)钢:在TP304H基础上，通过Cu, Ni, N合金化而得到的一种新型经济型奥氏体不锈钢，已经列人

26、ASME规范CASE2328。其高温下的蠕变断裂强度高于TP347H约20%。该钢由于细晶粒而抗氧化性能优异，组织稳定性好，可焊性优于TP347H,，并且经济性高。可用于7000 -750 以下过热器、再热器部件，是超临界/超超临界机组锅炉的主要候选材料。(5) TempaloyA-1(18Cr9NiCuNbN )钢:在TP304H基础上，通过Cu, Ni, N合金化而得到的一种新型经济型钢种。20 %-25 % Cr系列：高温过热器、再热器由于钢管内的蒸汽氧化而生成氧化层。随着热应力的作用，导致氧化层剥离，堆积在管子的弯曲部位，会使管子发生过热而爆管，剥离层也会造成汽轮机翅片的损伤。Cr含贵

27、对不锈钢的蒸汽氧化层有很大的影响,Cr含蚤越多，氧化层生成越慢。20%一25%Cr系列钢和高Cr高Ni钢，蠕变强度高，抗氧化性能好，但是价格过高限制了其使用。新近开发的20%-25%Cr系列钢，通过奥氏体稳定元素N,Cu等取代Ni来降低成本，使其不但具有优异的抗氧化性能和耐烟气腐蚀性能，并且还具有相对低廉的成本。(1) 25Cr-20Ni-Cb-N(HR3C或TP310CbN)钢:改进的由Nb和N强化的TP310，具有较高的高温强度和耐腐蚀性能，较好的加工性和可焊性，特别是具有极其优异的抗蒸汽氧化性。已经列人ASME规范CASE2115。可作为超临界/超超临界机组的主要候选材料。(2) NF7

28、09(20Cr25NiMoNbTi)钢以及TempaloyA-3 (22Cr15NiNbN )钢:最新开发的20%-25%Cr系列钢，通过奥氏体稳定元素N,Cu等取代Ni来降低成本，具有优异的高温性能和相对低廉的成本。(3) SAVE25(22.5Cr18.5NiWCuNiN)钢:正在开发中的新型钢种。奥氏体钢主要用于过热器、再热器，所有奥氏体钢可以看作是由18Cr8Ni（AISI 302）基础上发展起来的，分为15Cr%、18Cr%、20-25Cr%和高Cr-高Ni四类。15Cr%系列奥氏体钢尽管强度很高但抗腐蚀性能差应用较少。目前在普通蒸汽条件下使用的18Cr%钢有TP304H、TP321

29、H、TP316H和TP347H，其中TP347H具有最高的强度，通过热处理使其晶粒细化到8级以上即得到TP347HFG细晶钢，提高了蠕变强度和抗蒸汽氧化能力，对于提高过热器管的稳定性起着重要的作用，在国外许多超超临界机组中得到了大量应用。在TP304H基础上通过Cu、Ni、N合金化得到18Cr10NiNbTi（Tempaloy A-1）和18Cr9NiCuNbN（Super304H），强度得到了提高，经济性很好。20-25Cr%钢和高Cr-高Ni钢抗腐蚀和蒸汽氧化性能很好，但相对于强度来说价格过于昂贵限制了其使用。但新近开发的20-25Cr%钢具有优异的高温强度和相对低廉的成本，包括25Cr2

30、0NiNbN（TP310NbN）、20Cr25NiMoNbTi（NF709）、22Cr15NiNbN（Tempaloy A-3）和更高强度级别的22.5Cr18.5NiWCuNbN（SAVE 25），这些钢通过奥氏体稳定元素N、Cu取代Ni来降低成本。5.3 ASME规范材料上述众多新型铁素体和奥氏体锅炉用钢中，有一些已经列人ASME规范，也较符合我们使用材料的习惯，且大多获得了广泛应用，商业化良好(见表1)。表1 列入ASME规范的新型锅炉用材料6 机组关键部件的选材分析在超超临界机组中，关键的部件包括水冷壁、高温过热器/再热器及其出口联箱、主汽和再热汽管道、汽轮机高中压转子、叶片、汽缸等。

31、在前面已经对这些部件材料的性能要求和相应的材料进行了简要的介绍，下面对锅炉部件材料选择进行介绍，因为这些部件选材是否合理对机组的可用率影响最大，在国外目前已投运的超超临界机组中这些部件出现的材料问题相对较多。6.1 水冷壁考虑到膜式水冷壁安装和检修的操作条件，膜式水冷壁制造材料需要采用焊后不需热处理的钢材，受此限制，尽管水冷壁的温度与其它高温部件相比不是太高，由于材料的选择范围非常有限，水冷壁也机组是向高参数过渡的关键部件之一。超超临界机组主蒸汽压力和炉膛热负荷的升高会提高水冷壁的温度。例如在32.5MPa/620的蒸汽参数下出口端的汽水温度达到475左右，投运初期的管壁中央温度为497，垢层

32、增厚后可提高到513左右，热负荷最高区域的管子外壁温度可达到524，最高的瞬时温度可达到539。此时需要合金含量更高、耐热性能更好的材料。在T22基础上开发了两种新钢种HCM2S（T23）和7CrMoVTiB10 10（T24）焊接性能都很好，焊后硬度低于360HV10，不需要进行焊前预热和焊后热处理，许用金属壁温达到545和560，是主蒸汽温度620以下锅炉水冷壁的最佳候选材料。对于更高的蒸汽参数，三菱开发的HCM12是一种选择，该钢种也无需焊后热处理（但需要焊前预热），而蠕变性能更佳，但高的-铁素体含量（30%）使得加工困难，长期性能还需进一步考证。同时三菱还试图在T23中添加稀土进一步提

33、高性能。为了降低NOX的排放，现代的锅炉还采用分段燃烧的技术，这对水冷壁是一个严峻的考验，因为考虑到成本和焊接性能，水冷壁材料的合金含量尤其是Cr含量并不太高，其抗腐蚀能力有限，在炉膛的下部的还原性气氛将会导致严重的水冷壁管减薄（1-3mm/年），在使用高硫煤时必须考虑这一点，采用Cr含量稍高的钢种、表面喷涂处理甚至采用共挤复合管子。炉膛水冷壁材料性质如表2。表2 水冷壁受热面钢材性质 许用温度*tK最大流体温度批准单位T12（13CrMo44）T23(HCM2S)T24(7CrMoVTiB1010)510580580505050460530530ASME/DINASMEDIN * 指10sh

34、时，蠕变强度为100MPa的温度以上三种钢材在焊接后均不需热处理，适宜用于水冷壁。当锅炉汽压为30MPa及以下时，水冷壁内汽水温度一般在460以下，可采用T12或T22（10CrMo910）作为水冷壁管材。当锅炉汽压为30MPa以上时，就应采用T23或T24作为水冷壁管材。6.2 汽水分离器直流锅炉的汽水分离器容积较大，在40-100%负荷之间汽水分离器仅仅作为蒸汽流通部件，而在更低的负荷时，水冷壁出口的工质是汽水两相流，汽水分离器将其中的水从饱和蒸汽中分离出来送回锅炉给水，蒸汽送至过热器。在启停过程中汽水分离器经历从湿态到干态运行的转换，承受严重的热疲劳应力。在超超临界机组中主蒸汽压力的提高

35、、水冷壁出口介质温度的升高，对汽水分离器材料的蠕变性能要求也有所提高。可供选择的材料包括P12、P22、P23、X20CrMoV121以及P91等，低强度的材料会使壁厚增加，影响启停速率和运行灵活性。但可以增加分离器的数量来减少所需的壁厚。6.3联箱与管道末级过热器、再热器出口联箱与主蒸汽、再热蒸汽管道位于炉膛外边，不需要考虑烟气腐蚀问题，由于没有烟气加热，可以认为其蒸汽温度即为金属温度。两者对材料的要求基本一致，主要是高温蠕变强度和热疲劳性能、抗蒸汽氧化能力等。不同之处是联箱材料的选择需要考虑到与过热器、再热器和出口连接管之间的焊接问题。联箱与管道的首选材料是铁素体耐热钢，因为低的热膨胀系数

36、和高的热导率可以允许较高的启停速率而不会导致这些部件严重的热疲劳损伤。超超临界机组的蒸汽温度通常高于566，目前采用的联箱和管道用钢主要有P91、P92、P122和E911。在2000年以前，有若干USC机组曾采用P91和E911，由于此二种钢材许用应力低，钢管壁厚较大，影响机组变负荷速率，且材料总价格比之P92反而增加，因此在2000年以后已很少应用。此四种材料的成分和许用温度，许用应力情况为表3。表3 锅炉联箱和主汽管钢材（铁素体钢）性质名 称主要成份许用温度许用应力，MPa(600时)批准单位P919CrMoVNb59562ASME/DINE9119CrMoWVNb61571VdTuv,

37、ASME CC2327P92(即NF616）9CrMo2WVNb62088METI火STPA29，ASME CC2179-3P122（即HCM12A）11crMo2wCuVNb62083METI火SUS410J3TP，ASME CC2180-2P91在国内已经有10余年的使用经验，在日本P91钢最高使用温度超过了600，但在欧洲，根据欧洲蠕变合作委员会（ECCC）的建议，P91的设计许用应力比美国和日本低10%，认为P91只能用于25MPa/593或30MPa/580以下的蒸汽参数。建议在我国的机组中使用温度不超过580。P92和E911是在P91的基础上添加的1.8%和1.0%的W并适当降低

38、Mo，P122的W含量与P92相近，但Cr含量由9%提高到了12%，同时添加了1.0%Cu以抑制-铁素体的析出。这三种钢可用于34MPa/620以下的蒸汽参数。在ASME标准的数据中，P122和P92在600的许用应力要比P91高30%左右，E911只比P91高10%，但根据欧洲的最新测试结果表明，P92和P122的长期蠕变性能实际并没有那么大的优势。由于W含量较高，P92和P122在高温下运行的组织稳定性低于P91，脆化倾向较大，高温强度降低明显，而E911介于其中。P122由于Cr含量高，抗蒸汽氧化能力更好。所有这些钢作为厚壁部件时焊接接头有型断裂的倾向，即在临近母材的HAZ细晶区发生的蠕

39、变强度低于母材的断裂，在强度设计时必须考虑到这点。对580的蒸汽温度，P91可以满足强度要求，且在国内已经有较多的使用和加工经验；对600左右的蒸汽温度，P92和E911有一定优势，如果汽温进一步提高到620左右，建议采用12%Cr的P122等材料，因为600以上9%Cr钢的蒸汽氧化性能略显不足。新近开发的NF12和SAVE12以及最近Fuijita刚报道的NF12改良型期望能用于650，但这些材料尚不成熟，缺乏足够的性能数据。欧洲的COST计划也在寻求开发在620以上蠕变强度和抗蒸汽氧化能力更高的12Cr钢。P92 钢管的价格，比P91约高出2025%。因此，主蒸汽管采用P92在总价格上是合

40、算的。P92与P122相比，P92有较高的许用应力。根据日本住友金属介绍，钢管的容积比，以P91为100，则P92为61，P122为66，P92的钢管可以比P122薄8%。在价格上，P122为11Cr钢，应比9Cr钢的P92更贵一点，因此使用P92应比P122经济。P122的优点，在于其抗汽侧氧化能力强。在600，4000h。条件下，P91的氧化皮厚125m，P92为130m，而P122则仅60m。另外，在日本工程中，P122具有较多的使用业绩。在焊接性能上，P92与P122钢管的予热温度均为200250，焊接前热处理温度也是740，5h，两者互焊可无问题，焊接方法上GTAW或SAW均可使用，

41、焊条可用与T92相同的材料。为掌握新钢种焊接技术，国内需根据P91焊接时发现的教训，例如焊口冲击韧性低，容易产生冷裂纹等问题，及早进行工作，制订相应的焊接规范，焊接工艺，焊后热处理工艺，焊接操作程序，进行模拟焊接和试验，以保证焊接质量。同时培训合格的焊工。对于再热蒸汽管道，采用P91的钢材。比采用P92在总价格上占优势，因此在各USC电厂中使用较多。据介绍，德国爱森堡克莱玛（EBK）公司已生产P91大口径直缝焊接钢管，其外径为4061500 mm，壁厚9.5mm40 mm，长度达13200mm，已有使用业绩，准备在2005年报ASME批准（德国MPA已批准），其价格为无缝管的7580%，可满足

42、ASTM A691标准的试验要求，也可再次加工成弯管。但其蠕变强度试验目前只有1万h的数据，尚在继续试验中。在经ASME批准后，也可考虑用作再热蒸汽管道。6.4过热器/再热器过热器/再热器管在锅炉中是服役条件最为复杂、恶劣的部件，需要同时满足蠕变强度、烟气侧抗腐蚀和飞灰冲蚀性能、蒸汽侧抗氧化性能等。同时还需有较好的加工性能和经济性。受到烟气侧腐蚀的限制，除非燃煤的含S量极低，一般蒸汽温度566以上的过热器/再热器管需要采用奥氏体耐热钢。在常规的奥氏体不锈钢中，TP304H、TP321H、TP316H和TP347H等这些钢在蒸汽温度620以下的超超临界机组作为高温过热器/再热器时抗烟气腐蚀性也是

43、足够的，蠕变强度偏低但通过增加壁厚可以满足要求。欧洲早期一些蒸汽参数为580的超超临界机组就选用了TP321等常规不锈钢。但在USC机组的SH/RH选材中，蒸汽侧的氧化性能是一个至关重要的指标，常规的奥氏体不锈钢难以满足要求，上述欧洲机组在运行一段时间后即因氧化皮剥落造成机组停机，最后降低参数运行。过热器、再热器材料抗蒸汽侧的氧化性能也是选择时考虑因素之一，运行温度的提高加剧了过热器、再热器的蒸汽氧化，这将导致三种后果：内侧氧化层的绝热作用引起金属超温；氧化层的剥落在弯头等处堵塞引起超温爆管；蒸汽流中的氧化物颗粒对汽机前级叶片的冲蚀。9%Cr钢的蒸汽氧化速率限制其使用温度不高于600，12%C

44、r铁素体钢抗蒸汽氧化能力稍高一些。管子内壁镀Cr是一种有效的蒸汽氧化控制方法，对300系列不锈钢进行内表面喷丸处理也很有效，但工程上没有得到大量应用。新开发的TP347HFG、Super304、HR3C是目前主要的USC机组末级过热器/再热器材料。Super304H是在TP304H的基础上添加了3.0Cu并以Nb、N合金化，通过析出富Cu相对基体进行强化。Super304H的600-700的持久强度比TP347H至少提高了20。在保证晶粒细小的前提下，蒸汽氧化性能得到提高。焊接性能优于TP347H。TP347HFG是对TP347H的热加工工艺进行调整，使晶粒度由ASTM4-5#提高到8#以上，这种细晶粒的材料可以有效促进Cr的扩散，在蒸汽环境下形成保护性的Cr2O3，蒸汽氧化速率降低一个数量级以上。600的蠕变强度比粗晶粒TP347H高20-30。焊接性能优于TP347H。HR3C是在25%Cr的TP310基础上添加了Nb、N，运行过程中析出NbCrN相，使强度得到大幅度提高。由于Cr含量的增加，抗蒸汽氧化性能也较好。但这种钢最初是作为垃圾焚烧电站用抗腐蚀材料开发的