超临界、超超临界锅炉用钢

1、WORD格式整理超临界、超超临界锅炉用钢杨富1,李为民2,任永宁2（1.中国电力企业联合会，北京100761; 2.北京电力建设公司 北京100024 摘要：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，而提高蒸汽参数的关键有赖于金属材料的发展。从发展超临界、超超临界 机组与发展新钢种的关系以及超临界、超超临界锅炉对钢材的要求，概述了火电 锅炉用钢的发展历程以及部分新钢种的性能。关键词：临界、超超临界；锅炉；材料2020年全国装机容量将达到9.5亿kW其中火电装机仍然占70%即 今后17年将投产4.0亿kW左右的火电机组。火电建设将主要是发展高效率高参 数的超临界（SQ

2、和超超临界（USC火电机组。从目前世界火力发电技术水平 看，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。发展超临界和超超临界火电机组，提高蒸汽的参数对于提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。表1给出了蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系1, 表1蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系机组类型蒸汽压力/Mpa蒸汽温度/c电厂效率/%供电煤耗*/kW h中压机组3.543527460高压机组9.051033390超高压机组13.0535/53535360亚临界机组17.0540/54038324超临界机组25.5567/56741300高温超临界机组25.0600/60044

3、278超超临界机组30.0600/600/60048256高温超超临界机组30.070057215超700c机组超70060205*供电煤耗用标煤量统计，标煤量是一个统计折算标准，1千克标煤的发热量为7 000大卡从表1中的数据可以看出，随着蒸汽温度和压力的提高，电厂的效率在大幅 度提高，供电煤 耗大幅度下降，而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。1承压锅炉部件对钢材的要求火电厂锅炉关键承压部件主要指水冷壁、过热器、再热器、联箱及管道等， 这些承压部件运行在较为恶劣的工况条件下，是设计选用钢材关注的重要部位。 以下分类简要介绍超临界、超 超临界锅炉的关键承压部件用钢要求

4、。1.1 水冷壁水冷壁用钢一般应具有一定的室温和高温强度，良好的抗疲劳、抗烟气腐蚀、耐磨损性能，并要有好的工艺性能，尤其是焊接性能。通常SC US渊炉都采用膜式水冷壁。由于膜式水冷壁组件尺寸及结构的特 点，其焊后不可能在炉内进行热处理，故所选用的钢材的焊接性至关重要。要在 焊前不预热、焊后不热处理的条件下，满足焊后热影响区硬度不大于360HV10焊缝硬度不大于400HV10的有关规定（TRD201 ,以保证使用的安全性。另外， 水冷壁管内介质是汽液两相，管外壁又在炉膛燃烧时煤粉颗粒运动速度最快的区 域，积垢导致的管壁温度升高和燃烧颗粒冲刷都是选用钢材要考虑的问题。由此 可见，水冷壁用钢的开发也

5、是发展 SC USC禺炉的技术关键之一。随着SC USC禺炉蒸汽压力、温度的升高，水冷壁温度将提高，如在 31 MPa/620c的蒸汽参数下出口端的汽水温度达 475c ,投运初期中墙温度为497C , 垢层增后可升至513C,热负荷最高区域的管子壁温可达 520C,瞬间最高温可 达540C。这就需要合金含量更高，热强性更好的钢材。为了满足这种高参数锅炉水冷壁用钢的要求，在SA213T221冈的基础上，开发了 2种新钢材T23 （HCM2S和T24 （7CrMoVTiB10-10）,二者都具有良好的焊 接性，在焊前不预热焊后不热处理的条件下（壁厚w 8mm ,焊后焊缝和热影响 区的硬度均低于3

6、60HV10金属壁温可达600C,是蒸汽温度620c以下锅炉水冷 壁的最佳用钢2。1.2 过热器、再热器过热器、再热器在高参数锅炉中所处的环境条件最恶劣，所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能、 管子内壁抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷热加工工艺性能和焊接性能。过热器、再热器管的金属壁温比蒸汽温度高出 25 C39c （我国规定为50 C）。在燃煤含硫量很低、烟气腐蚀性很小的条件下，从蠕变强度角度考虑，SCUSC禺炉的过热器、再热器，当壁温w 600c时，可选用T91钢；当壁温w 620c 时，可选用T92、T122、E911钢；当壁温W 650c

7、时，可选用NF12 SAVE12I冈。采用含硫量高腐蚀性大的燃煤时，当壁温A 600c时（蒸汽温度A 5 6 6 C）, 过热器、再热器应选择 TP304H TP321H TP316H TP347HM氏体热强钢。而 Super304H和TP347HFGW中细晶奥氏体热强钢蠕变强度高，抗烟气腐蚀和抗蒸汽 氧化性能更好，在超超临界锅炉过热器、再热器用钢中得到广泛的应用。当壁温 达700c时，过热器、再热器只能选用高铭热强钢 NF709 SAVE2序口 HR3格。1.3 联箱与管道由于联箱（末级过热器、末级再热器出口联箱）与管道（主蒸汽管道、导汽 和再热蒸汽管道）布置在炉外，没有烟气加热及腐蚀问题，

8、管壁温度与蒸汽温度 相近。这就要求钢材应具有足够高的持久强度、蠕变强度、抗疲劳和抗蒸汽氧化性能，还要具有良好的加工工艺和焊接性能。由于铁素体热强钢的热膨胀系数小、导热率高，在较高的启停速率下，不会 造成联箱、管道壁部件严重的热疲劳损坏，所以铁素体热强钢是联箱、管道的首 选钢材。随着SC USC禺炉蒸汽温度和压力参数的提高，要求使用热强性高的钢材， 这样既可以提高联箱和管道运行的安全性，又可以减少因管壁过厚引起热应力的增加以及给加工工艺带来的困难。所以，SC USC禺炉的联箱和管道，当壁温W 600c时，选用P91钢；当壁温W 620c时，选用P92、P122和E911钢；当壁 温w 650c

9、时，选用 NF12和 SAVE12S。2锅炉用钢的发展历程要提高大型火电机组的效率，要发展 SG USC/C电机组，就必然要促进大机 组用钢的研究和开发，电力技术的发展，在很大程度上取决材料技术的发展。提高锅炉蒸汽温度比提高锅炉蒸汽压力对机组效率的影响更为显著。若锅炉蒸汽温度参数不提高，依靠提高锅炉压力参数提高机组效率，就意味着必然要选 用高温持久强度和允许使用温度较低的热强钢，如： 12Cr1MoV 10CrMo910 15Cr1MolV?,当锅炉压力参数从140 kg/cm2提高到170 kg/cm2乃至260 kg /cm2时，就必须使管道的壁厚大大增厚，石洞口二厂超临界600 MW（T

10、=538/566 C, P=25.4 MPa 主汽管选用 P22,管子规格为 中 654mme 136.5 mm由于管道壁厚的增加，焊接、热处理、弯管、探伤等工艺都增加了更多的困 难，比如：必须严格控制焊接线能量、采用多层多道焊、中间热处理、二次（甚 至三次）探伤、热处理升降温速度的控制等等。同时还会因管壁过厚引起热应力 增加，导至管道的热疲劳损伤。止匕外，当选用大壁厚管道时，管道和保温材料的重量大幅增加，从管系、支吊架到厂房架构强度与刚度都是设计部门要特别考虑的问题。就目前世界各国发展情况看，锅炉用钢的发展可以分为两个方向，一是铁素 体热强钢的发展，另一是奥氏体钢的发展。2.1 铁素体钢铁素

11、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;二是横向白通过填加 V、Nb> Mq W、C o等合金 元素，6 0 0 c 105 h的蠕变断裂强度由35 MPa级向60、100、140、180 MPa 级发展。图1给出了锅炉铁 素体热强钢的现状及发展趋势。2.1.1 低合金热强钢20世纪50年代，电站锅炉钢管大多采用珠光体低合金热强钢，其含CE3%, 含Mo< 1%其典型钢种及最高使用壁温为：15Moe 530c ； 12CrMoC 540 C ； 15CrMo< 540 C ; 12Cr1Mo收 580 C; 15C

12、r1Mo1V； 580 C ; 10CrMo91(K 580 C o当壁温超过580c时，一般都使用奥氏体热强钢 TP304 TP347( <700C), 然而由于其价格昂贵、导热系数低、热膨胀系数大、应力腐蚀裂纹倾向等问题存 在，不可能被大量采用，故世界各国从20世纪60年代初开始进行了长达30多年的试验研究，开发适用于温度参数为580C650c范围内的锅炉用热强钢，即 改进型的9Cr-1M。钢和12%Cr钢的研究。而 当壁温超过650c时，目前还只能 选用奥氏体热强钢。2.1.2 EM12I冈的开发20世纪50年代末，比利时Liege冶金研究中心研究了超级 9Cr钢，其化学 成分为9

13、Cr-2Mo,并添加了 Nb> V等合金元素，材料牌号为EM12法国瓦鲁瑞克 公司生产出EM12勺过热器管。1964年，法国电力公司批准EM1邸管可用于620C的过热器和再热器，代替过去使用的不锈钢管。但是，由于该钢种是二元结构，冲击韧性差，后来未得到广泛应用。部分锅炉用铁素体钢的化学成分见表2图1锅炉的铁素体钢的现状及发展趋势表2部分锅炉用铁素体钢的化学成分钢 号标准化学成分/%ASMEJISCSiMnCrMoWCoVNbBNOther s2CrT22(2.25Cr-1Mo)T22STBA240.120.30.452.251.0-HCM2s(2.25Cr-1.6WVNb)T23STBA

14、24J10.060.20.452.250.11.6-0.250.050.003-T9(9Cr-1Mo)T9STBA260.120.60.459.01.0-HCM9M(9Cr-2Mo)-STBA270.070.30.459.02.0-9CrT91(9Cr-1MoVNb)T91STBA280.100.40.459.0.0-0.200.08-0.05-NF616(9Cr-0.5Mo-2WVNb )T92STBA290.070.060.459.00.51.8-0.200.050.0040.06-Tempa1oyF-9(9Cr-1MoVNb)-0.060.50.609.01.0-0.250.400.00

15、5-EM12(9Cr-2MoVNb)NFA4921-0.100.40.109.02.0-0.300.40-HT91(12Cr-1MoV)DINX20CrMoV1-0.200.40.6012.01.0-0.25-0.5Ni21DIN0.200.6012.01.00.25HT9(12Cr-1MoWV)X20CrMoWV-0.40.5-0.5Ni12112CHCM12(12Cr-1Mo-1WV b)N-SUS410J2TB0.100.30.5512.01.01.0-0.250.05-0.03-rHCM12A(12Cr-0.4Mo- 2WCu- VNb)T122SUS410J3TB0.110.10.6

16、012.00.42.0-0.200.050.0030.061.0CuNF12(11Cr-2.6W-2.5C oVNbB)-0.080.20.5011.00.22.62.50.200.070.0040.05-0.07TSAVE12(11Cr-3W-3CoVNb-TaNdN)-0.100.30.2011.0-3.03.00.200.07-0.04a0.04N d2.1.3 钢102的开发20世纪60年代起，中国按原苏联的耐热钢系列研究出了钢102(12Cr2MoWVTiB ,推荐使用温度为620C ,经长期使用总结的经验证明，其使 用温度以低于600c为宜。钢102主要用于壁温w 600c的过热器

17、、再热器管。 2.1.4T23 (HCM2S、T24钢的开发2HCM2是在T22(2.25Cr-1Mo)钢的基础上吸收了钢102的优点改进的，600C时的强度比T22高93%,与钢102相当，由于C含量降低，加工性能和焊接性能 优于钢102,可以焊前不预热，焊后不热处理(壁厚w 8mm。该钢已获得ASME 锅炉压力容器规范 CASE2199A可，被命名为SA213-T2&目前HCM2史做出大口 径管，性能达到小口径管的水平。T24 (7CrMoVTiB10-10)钢是在T22钢的基础上改进的，与 T22钢的化学成分比较，增加了 V、Ti、B含量，减少了 C含量，于是降低了焊接热影响区的

18、硬 度，提高了蠕变断裂强度。T24也可以焊前不预热、焊后不热处理(壁厚w 8mrm。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W 600c过热器、再热器管、P23可以用于壁温w 600c的联箱。2.1.5 F11、F12 的开发20世纪60年代末，德国研究开发了 12%Cr钢，F12 (X20CrMoV121钢和 F11 (X20CrMoWV12佛1 (化学成分见表2.1 ),该钢至1979年正式纳入DIN17175 标准。主要用于壁温达610c的过热器、壁温达650c的再热器以及壁温为 540560c的联箱和蒸汽管道，但其含碳量高，焊接性差。2.1.6 新型铁

19、素体热强钢T91/P91钢的开发美国能源部委托橡树岭国家试验室(ORNL与燃烧工程公司(CE联合研究 用于快速中子增殖反应堆计划的钢材，开始改进原有的9Cr1Mo钢，以研究开发一种新的9Cr1Mo钢，要求这种新钢种综合早期9Cr和12Cr钢的性能，并具有良 好的焊接性。到1980年测试了超过100种成分的试验样品，最后确定为改良型 9Cr-1Mo钢，即91/P91钢，经试验该钢在593c / 105h条件下的蠕变断裂强度达 到100 MPa韧性也较好，这种改进的 9Cr-1Mo钢优于EM1/口 F12。1983年美国 ASMBA可了这种钢为 T91、P91,即 SA213-T91、SA335-

20、P91。T91 钢可用于壁温 w600c的过热器、再热器管，P91钢可用于壁温w 600c的联箱和蒸汽管道。2.1.7 T92/P92、T122/P122 钢的开发20世纪90年代初，日本在大量推广T91、P91的基础上，发现当使用温度超 过600c时，T91、P91已不能满足长期安全运行的要求。在调峰任务重的机组， 管材的疲劳失效也是个大问题，当管材在高温下长期运行时，大量蠕变空洞出现 之前的积累损伤判断成为更为重要的问题。日本在开发新的大机组锅炉用钢方面做了大量的试验研究工作，目前已生产出商品钢管，并已得到ASM新准的认可。日本在大型锅炉高温部件上已采用了这些新的钢种，例如SA213-T9

21、2 (NF616)、SA335-P92 (NF616、SA213-T122 (HCM12A、SA335-P122 (HCM12A新钢种。 图2给出了 HCM12ANF616 T91钢许用应力与温度的关系曲线。新材料的应用有效降低了管壁厚度，减少了材料的用量并使管系布置条件得到了改善，图3对主蒸汽管采用P122、P91和P22的3种材料进行了比较。许用应力与温度的关系曲线一二-"u Hr 2图-EE婪=烹安i图3主蒸汽管选用材料的比较2.1.8 NF12 SAVE1渐型铁素体热弓5钢的开发3NF12 SAVE1邸是为了提高超超临界锅炉效率急需开发能够用于650c的铁素体热强钢。通过对1

22、2Cr-W-Co钢的研究，表明高的鸨和低的碳含量能够提高蠕 变断裂强度，而且Co的存在可以避免5铁素体的形成。图4给出了几种典型的 铁素体热强钢的蠕变断裂强度。可以看出NF12钢的蠕变断裂强度高于P92、P91和F12钢。相信不久的将来， 这种蠕变强度优良的NF12钢一定能用于34.3 MPa、650c的超超临界锅炉中。Q500550600650700设计温度工750图4典型的铁素体热强钢蠕变断裂强度2.2 奥氏体钢奥氏体钢的发展进程见图5。表3给出了用于过热器和再热器的奥氏体钢的化学成分。表中按含Cr量分为4类：即15Cr、18 Cr、2025Cr和高Cr。这些钢种正在发展过程中，最初添 加

23、Ti、Nb,是从抗腐蚀的角度来提高钢的稳定性。然后在保持稳定的前提下，适 当降低Ti和Nb的含量，以提高蠕变强度。而不是提高抗腐蚀性，然后加Cu,以铜富相的沉积和热处理改进来提高沉积强化，进一步趋势是添加0.2%N和一定量 的W以增强固溶体的强度。学习参考 资料分享aisi?oi18cMiNi】11一 NhAIS1 321ISCr-RKtl-AISI302A3S1 547 Mot 18Cf-W4mS(100 200) 1 fj必 h：LA1SI3O4HAISI 12HIAISI 347HAISHIGHAismc32Cr-l2?nl«0)HeatTrealilirhl 彳 I4：

24、9;n 一|附4而A£M?TP"HFGtiMni，Liy口国I ：.I 3*山“I I,坤)TlMrShiRhkTenipalm X'l SILSJITIHTBJ < iiAddiliSufMiUH (SUBMMJIHTB)UltH区f-Wt"H 2HT-2nMhtA|likU (SUKUIHTR 口如(UgAijsF* m? h 11iSLilnJUTTB) U蜘2mss.Uhr( iisT*l< A 出"口出“IHl图5锅炉的奥氏体钢的发展进程2.2.1 新型细晶奥氏体热强钢Super304H的开发4Super304H是TP304

25、H的改进型，添力口了 3%Cu和0.4 % Nb获得了极高的蠕变 断裂强度，600650c许用应力比TP304HB 30%这一高强度是奥氏体基体中同 时产生NbCrN Nb （N、C）、M23C中口细的富铜相沉淀强化的结果。运行 2.5年 后的性能试验表明该钢的组织和力学性能稳定，而且价格便宜，是超超临界锅炉 过热器、再热器的首选材料。2.2.2 TP347HFG勺开发5TP347HFG冈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。虽然TP347HI冈经高温下正常化固溶处理，其许用应力在18Cr-8Ni钢中最高，然而, 高的固溶温度使这种钢产生粗晶粒结构，导致蒸汽侧抗蒸汽氧化能力降低

26、。现已 开发出一种TP347H钢管晶粒再细化工艺。此工艺即使在较高的固溶处理时也能 获得细晶粒，晶粒的细化是通过在固溶处理工艺中碳化锂的沉淀来完成的。通过 这个工艺处理的管子不但有极好的抗蒸汽氧化性能，而且比TP347H®晶钢的许用应力高20%U上。TP347HFG冈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、再热器管。表3部分奥氏体钢的化学成分成 分标 准化学成分/%18Cr-8NiASMEJISCSiMnNi C；rMoWVNbTiBOthersTP304HSUS304HTB0.080.61.68.018.0-Super304HSUS304J

27、1HT B0.100.20.89.018.0-0.40-3.0Cu,0.10 NTP321HSUS321HTB0.080.61.610.018.0-0.5-Tempa1oyA-1SUS321J1HT B0.120.61.61.610.018.0-0.100.08-TP316HSUS316HTB0.0 %0.612.016.02.5-TP347HSUSTP347H B10.080.61.610.018.0-0.8-TP347HFG0.080.61.610.018.0-0.8-15Cr-15Ni17-14CuMo0.120.50.714.016.02.0-0.40.30.0063.0CuEsshe

28、te12500.120.56.010.015.01.00.21.0-0.06-Tempa1oy A-20.120.61.614.018.01.6-0.240.10-20-25C r20-25CrTP310SUS310TB0.080.61.620.025.0-TP310NbNSUS310J1TB0.060.41.220.025.0-0.45-0.2NNF7070.080.51.035.021.01.5-0.20.1-Alloy 800HNCF800HTB0.080.51.232.021.0-0.5-0.4A1Tempa1oyA-3SUS309J4HTB0.050.41.515.022.0-0.7

29、-0.0020.15NNF709SUS310J2TB0.150.51.025.020.01.5-0.20.1-SAVE250.100.11.018.023.0-1.5-0.45-3.0Cu,0.2NHighCr-HighN iCR30A0.060.30.250.030.02.0-0.2-0.03ZrHR6W0.080.41.243.023.0-6.0-0.180.080.0032.2.3 HR3c(TP 3 1 0 NtN)钢的开发6HR3c在日本JIS标准中的材料牌号为 SUS310JITB在ASM标准中的材料牌号为TP 3 N 0 NbN。 HR3CI冈是TP3 1 0热强钢的改良钢种，通过添加元素犯（Nb）和氮（N）