超临界机组主要部件金属材料的选用分析

1、超临界锅炉重要部件金属材料的选用分析 摘要对国内外超临界锅炉主要部件金属材料的选用情况进行了分析，结合超临界锅炉高温部件用材性能及要求探讨了超临界锅炉金属材料的发展趋势。关键词超临界锅炉；金属材料；选用分析 我国的发电厂主要是以燃煤火力发电厂为主，根据我国能源结构特点，在未来相当长的一段时间内以煤炭为主要燃料的火力发电仍然是发电工业的主流。我国的火力发电资源浪费大，废气排放重，按着国家可持续发展战略的要求，发展和使用超临界参数机组是提高煤炭利用率、减少环境污染的有效途径。，我们通常把蒸汽参数超过水的临界状态点压力和温度数值的机组称为超临界机组，相应参数的锅炉称为超临界锅炉。实际投运的超临界机组

2、的蒸汽参数一般都在23.5 MPa和538以上。1 国内外超临界参数机组发展概况美国是世界上发展超临界机组最早的国家，世界第一台超临界参数机组（125MW ，3MPa，621/565/538）于1957年在美国投运。美国投运的超临界机组占大型火电机组的30以上，容量以500800MW为主。美国拥有超临界机组两个世界之最，即最大单机容量1300MW和最高蒸汽参数（费城电力公司EDDY-STONE电厂的#1机组，蒸汽参数为3MPa，649/566/566）。日本的超临界机组占常规火电机组装机容量的60以上，其450MW以上机组全部采用超临界参数。由于日本采用了引进技术与自行开发相结合的方式，而且根

3、据国情精心设计、制造和维护，使其超临界机组的可用率非常高，煤耗水平名列世界前茅，超临界机组技术居世界前列。原苏联于60年代开始发展超临界机组，现共有超临界机组200多台，其300MW以上容量机组全部采用超临界参数。我国于80年代后期开始从国外引进超临界机组，第一台超临界机组于1992年6月投产于上海石洞口二厂（2×600MW，25.4MPa，541/569）。目前我国已经投产的超临界机组共计14台，全部是国外进口。现在正在建设的河南沁北电厂2×600MW机组是我国超临界机组国产化依托项目，对于我国火电发展具有里程碑的意义，标志着我国火电技术已经由亚临界参数领域开始进入超临界

4、参数领域。随着对新型耐热钢材T91、P91和P92、NF616（9Cr0.5Mo1.8WVNb）、HCM12等材料性能和工艺的掌握，蒸汽参数将进一步提高，火电机组的经济性也将进一步提高。2 超临界锅炉重要部件金属材料的选用和发展超临界机组材料是与机组参数密切相关的，合理的机组参数是顺利发展超临界机组的必要条件。美国和原苏联早期的超临界机组由于参数选择过高，超越了当时冶金和金属材料的实际技术水平，运行后由于材料高温蠕变性能达不到要求导致金属部件损坏事故不断发生，机组可用率低、经济性差，使得超临界机组技术的发展受阻。合理的选择超临界机组参数极其重要。从金属材料的角度出发，我国的超临界机组起步参数应

5、选择23.525MPa，538540/538566比较适宜，主要原因是该参数的超临界机组使用的大部分材料，现有的亚临界300MW和600MW机组材料能够基本满足要求，金属材料方面的困难不是很大，而且该参数在国外成熟的超临界机组的参数范围之内，经过多年运行实践证明是成功的。由于超临界锅炉没有汽包，所以根据锅炉部件所处的温度和压力的不同，超临界锅炉重要部件是指集箱和蒸汽管道、汽水分离器、受热面管道（过热器、再热器、水冷壁和省煤器）等。下面将分别探讨一下以上各部件金属材料的选用情况。集箱和蒸汽管道金属材料的选用和发展蒸汽管道中的温度很不均匀，集箱中的温度也会因时间和位置的不同而异。从应力的角度考虑，

6、虽然集箱由于自重而导致的应力没有蒸汽管道大，但是集箱上却焊着大量的过热器、再热器及导汽管道，有些还是异种钢焊接。所以超临界锅炉运行使用的集箱对热疲劳强度的要求比蒸汽管道还要高。由于温度和压力的需要，超临界锅炉的集箱和蒸汽管道大部分都是厚截面部件，再从经济的角度出发，则主要以铁素体类型钢为主，近年来已经向高铬合金钢的方向发展。美国原来的集箱和蒸汽管道以P11和P22等低合金钢为主，但是经常发生热疲劳失效，主要就是管孔间的管桥裂纹。自出现了在593下安全使用的HT9、HT91、HCM9M、HCM12和P91等钢种后，虽然其焊接和热处理存在一定的难度，但是还是受到了欧洲一些国家如德国、荷兰和比利时等

7、的广泛应用。从蠕变强度方面考虑，在9Cr钢的基础上改良而来的P91钢要比HT9、HT91和HCM9M等钢种优越，因此近20年来被广泛于593下的集箱和主汽管道上。现在，欧洲大部分超临界锅炉的主蒸汽和高温再热蒸汽管道都选用P91。91系列（P、F、T91）之所以具有更高的蠕变强度，是因为它除了Mo的固溶强化外，还添加了少量的V、Nb和Ni元素，产生了M23C6和（V、Nb）碳氮化合物。然而P91钢的适用参数范围毕竟有限（593和25MPa以下），对于超过此参数以上的超临界或超超临界机组的厚截面部件该如何选用呢？将9Cr12 Cr钢中的W部分代替Mo元素则可将蠕变强度提高30，这就是P-92和P-

8、122（HCM12A，NF616）系列钢。另外一种E911含W钢在欧洲得到了较大的发展和应用，在600下的许用强度比P91高出25，可在620、34MPa蒸汽参数下安全使用。此外，正在发展中的NF12和SAVE12有望达到650的使用温度。表1是不同蒸汽参数先进超临界锅炉集箱和蒸汽管道材料的选用情况。表1 先进超临界锅炉集箱和主汽管道常用材料部件名称565/565/565593/593/593620/620/620650/650/65031MPa31MPa31MPa集箱/蒸汽管道P22，P23，P91P92，P122P91，P92P122，E911P92，P122，E911NF12，SAVE1

9、2SAVE12NF122.2 锅炉受热面管材料的选用锅炉受热面管尤其是过热器、再热器是锅炉中工作环境最为恶劣的部件，面临高温高压水蒸汽氧化、高温腐蚀和烟气中煤粉颗粒的腐蚀，是锅炉中承受压力最大、温度最高的受热部件，所以也是对材料要求最高的部件。一般锅炉出口的实际参数比机组参数要高一些，如果机组参数为23.525MPa，538540/538566，则所对应的锅炉出口参数约为23.826.5MPa，540545/540570，此时过热器和再热器的最高壁温分别达到580595和590650。因长期在高温下工作，锅炉受热面管尤其是过热器和再热器不仅对以高温蠕变断裂强度为首的高温强度有要求，还对高温耐腐

10、蚀性（主要是向火侧的腐蚀）和抗氧化性（主要是蒸汽侧的氧化）以及耐酸性、安装施工和检修过程中的加工性、焊接性及长期使用后的稳定性等都有一定的要求。表2为超临界锅炉用钢管的必要特性。表2 超临界锅炉用钢管的必要特性特性性能要求高温强度较大高温拉伸强度，较大高温蠕变断裂强度，较大高温热疲劳强度。对高温雾汽的腐蚀性对管内高温蒸汽有良好的耐氧化特性，对管外燃烧灰有良好的高温耐腐蚀性。韧性、延展性在停机时、耐压试验时、反复启动和停止时有充分的韧性及延展性。焊接性焊接加工时有良好的焊接工作性加工性装配时有良好的弯曲加工性及成形性长期使用的特性长期使用后的强度及韧性变化较少，可实施剩余寿命诊断物理性测定设计中

11、必要的物理常数（热传导率、热膨胀系数等）经济性有利于提高锅炉效率美国的超临界锅炉高温过热器和再热器材料主要选用的是SA213TP347H、SA213TP316H、SA213TP304H、SA213TP321H等；日本主要选用的是SUS347HTB、SUS316HTB、SUS321HTB、SUS304HTB等。它们基本都是含碳量为0.040.1的18Cr8Ni型奥氏体钢，具有较高的高温强度和良好的耐腐蚀性能，但CrNi奥氏体钢存在价格偏高，热膨胀系数大、异种钢接头过早失效，易于晶间腐蚀等问题。所以在能够保证机组安全运行的前提下，应尽量少用CrNi奥氏体钢。上海石洞口二厂引进的超临界机组，参数为2

12、5.4 MPa 、541/569，其过热器高温段使用X20CrMoV121，没有使用奥氏体钢。再热器高温段最高壁温达635，少量使用了X8CrNiNb1613奥氏体钢。近几年来，我国引进的10Cr9Mo1VNb（SA213T91）钢最高使用温度可达650。在625以下可替代 TP304H使用。与X20CrMoV121钢相比，在550时，许用应力高12，600时高67，650高93。此外，还具有良好的韧性、持久塑性和焊接工艺性能。对于主蒸汽温度在540以下的锅炉过热器，最高壁温在595左右，高温段可选用10Cr9Mo1VNb钢，而不必使用奥氏体钢，温度稍低些可选用12Cr2MoWVTiB或12C

13、r3MoVSiTiB钢。对于再热温度为566的再热器，最高壁温可达650左右。10Cr9Mo1VNb钢虽然最高使用壁温为650，但此时的许用应力很低，仅为29MPa，抗氧化性能也有所下降，所以再热器高温段需使用部分TP347H奥氏体钢。若再热温度为540，则再热器的最高壁温为620左右，此时，10Cr9Mo1VNb钢的许用应力为48MPa，再热器高温段选用10Cr9Mo1VNb钢即可，不需选用奥氏体钢。对于低温段过热器、再热器，国外基本上使用2.25Cr1Moro或12Cr1MoV钢。上海石洞口二电厂的低温段过热器、再热器使用10CrMo910、13CrMo44和15Mo3钢。水冷壁的工质温度

14、一般为310-430，壁温约为350-500，可选用12Cr1MoV（或10CrMo910）、15CrMo、15Mo3和20G钢。石洞口二电厂600MW超临界锅炉水冷壁管基本选用的是15Mo3，其含碳量为0.120.20，含钼为0.250.35，含锰为0.500.80。2.3 锅炉汽水分离器材料的选用日本超临界锅炉汽水分离器的材质主要是STB52、SCMV3、SB49M等，石洞口二电厂使用的是15NiCuMoNb5。汽水分离器的工作温度随负荷变化而变化，一般为350-430，虽然工作温度不高，但需承受机组频繁启停和快速负荷变化，所以要求壁薄，材料强度高，以免热疲劳损坏，我国可选用15NiCuM

15、oNb5和13MnNiMoNb钢。3 铁素体钢和奥氏体钢在超临界和超超临界锅炉中的应用和发展近20年来，美、日等发达国家在开发电站材料和焊接技术方面进行了大量的试验研究，成功的开发和应用了一批新钢种，特别是含912Cr耐热钢的成功应用和发展。许多高品质的铁素体钢和奥氏体钢的开发和应用对超临界机组和先进超临界机组（即超超临界机组）技术的发展起到了巨大的推动作用。 铁素体钢的发展及应用于超临界锅炉中的主要钢种铁素体钢（包括珠光体钢、贝氏体钢和马氏体钢及双相组织钢）的发展的过程如表3所示。表3 铁素体钢的发展过程阶段时间合金成份调整105h蠕变断裂压力（MPa）合金种类使用金属最高温度1196019

16、67在12Cr或9CrMo中添加Mo或Nb、V60EM12，HCM9M，HT9，TF9，HT91565219701985调节C、Nb、V含量至最佳100HCM12，T91，HCM2S593319851995用W部分代替Mo140P-92，P-122，（HCM12A，NF616）62041995增加W并添加Mo180NF12，SAVE12650锅炉用铁素体钢根据CrCr、2Cr、9Cr和12Cr等几个系列，其代表钢种及其化学成份如表4所示。表4 锅炉用铁素体钢的钢种及化学成份系列钢种CSiMnCrMoWCoVNbCrT11NFIH2CrT22HCM2STempaloyF2W9CrT9HCM9MT

17、91E91112CrHT91HT9TempaloyF12MHCM12TB12HCM12ANF12SAVE12在9Cr系列钢种中，P91具有高的许用应力值，因此在许多超临界机组的蒸汽管道和集箱中得到了广泛应用。将P91中的Mo元素替代为W而得到的钢种NF616（P92）具有更高的许用应力值，可在蒸汽温度620以下使用。当使用温度超过620时，9Cr系列钢抗氧化性下降，必须选用12Cr钢和奥氏体钢。在12Cr钢的应用中，欧州广泛采用HT91用于制造集箱和管道。由于可焊接性较差，使其在美国和日本的应用受到了限制。HCM12由HT91钢种改良而来，含有1W和1Mo，具有铁素体和回火马氏体双重组织，蠕变

18、强度提高，可焊接性良好。后来又通过添加更多Mo替代W，同时添加Cu，得到了合金钢HCM12A（P122），可在620下用于集箱和管道。3.2 奥氏体钢的发展及应用于超临界锅炉中的主要钢种奥氏体钢主要应用在过热器、再热器管发展的最新阶段。因为高温过热器和再热器的恶劣工作环境，除了对蠕变强度具有较高的要求以外，对抗氧化性和向火侧耐蚀性的要求也很高。从蠕变强度来讲，T91仅局限于蒸汽温度565（金属593），NF616、HCM12A和E911局限于蒸汽温度593（金属620）。从抗氧化性来讲，即使今天最优良的铁素体钢也只能适用于593以下（金属温度），超过此温度则需要采用奥氏体钢。现在美国已经用SS

19、304M和SS347取代了T91钢应用在过热器管屏上，因为它们的价格相差很小，但前者的焊接性要比后者好得多。应用于过热器和再热器的奥氏体不锈钢的种类及其化学成份见表5。表5 锅炉用奥氏体不锈钢牌号和主要化学成份名称ASMEJISCrNi18Cr8NiTP304HSupper304HTP321HTempaloyA-1TP316HTP347HTP347HFGSUS304HTBSUS304JIHTBSUS321HTBSUS321JIHTBSUS316HTBSUSTP347HTB15Cr15NiEsshete125017-14CuMoTempaloyA-220-25 CrTP310TP310NbNNF

20、707Alloy800HTempaloyA-3NF709SAVE25SUS310TBSUS310JITBNCF800HTBSUS309J4HTBSUS310J2TBHighCr-HighNiIncone1617从表5可以看出，奥氏体钢大致可分为四类，即15Cr、18 Cr、2025Cr和高Cr奥氏体不锈钢。它们的发展过程从最初的添加Ti和Nb元素来提高抗腐蚀性，到降低Ti和Nb含量来提高奥氏体钢的蠕变强度，而后又通过添加Cu元素提高钢的固溶强化作用，现在又趋于采用0.2Ni和W做添加剂来提高奥氏体钢的固溶强度。4 结论随着我国超临界机组的不断建设和投运以及超临界锅炉参数的不断提高，许多新型铁素体和奥氏体钢将会被大量的应用，这就给焊接和热处理以带来一定的难度。如一些9Cr和12Cr新型铁素体耐热钢由于较高的含碳量以及较低的马氏体转变温度促使焊后奥氏体残留和高的残余应力，如果焊接工艺或焊后热处理不当，极易在应力释放中或应力释放之前产生裂纹。早期的超临界锅炉应用奥氏体钢时出现的问题较多，这也曾经是困扰美国超临界机组技术发展的主要因素。多年来有关国家的技术部门进行了专门的攻关和改进。但是随着蒸汽参数的不断提高和奥氏体新钢种的不断发展和应用，焊接和热处理技术仍然是超临