超临界_超超临界锅炉选材用材

1、材料技术超临界/超超临界锅炉选材用材张显(北京巴布科克威尔科克斯有限公司, 北京100043摘要:介绍了近年来用于锅炉的一些新型材料的发展状况, 并对其在超临界/超超临界机组锅炉高温部件上的选择和应用进行了分析。关键词:超临界/超超临界锅炉; 铁素体钢; 奥氏体钢中图分类号:T K225文献标识码:A2(2Super 2Supercritical BoilersZHAN G Xian(Babcock &Wilcox Beijing Company Ltd. , Beijing 100043, China Abstract :The development status of some new

2、type material , used for boilers in recent years , in being present 2ed together with an analysis of their option and application in boilers for high temperature components of supercriti 2cal/super 2supercritical sets.K eyw ords :supercritical/super 2supercritical boiler ; ferritic steel ; austeniti

3、c steel收稿日期:2004202226作者简介:张显(19632 , 男, 北京巴布科克威尔科克斯有限公司高级工程师, 主要从事材料标准化工作。提高火力发电机组的参数, 是提高机组效率和节能环保的最重要途径。随着锅炉压力的提高, 水的饱和温度也相应提高, 汽化潜热却相应减少, 饱和水和饱和蒸汽的比重差也随之减少。当压力达到22. 12MPa 时, 汽化潜热等于零, 汽水比重差也定于零。水在这个压力下, 加热至374时即被全部汽化。这个压力就称为临界压力。超临界压力时的情况与临界压力时的情况相同, 由水变成蒸汽是连续单相的。典型的超临界锅炉蒸汽参数一般为23. 5MPa 26. 54MPa

4、 、538543/538566, 一般认为当压力超过28MPa 、温度超过600以上时, 就称为超超临界锅炉。传统的低合金铁素体类耐热钢, 用于亚临界机组, 几乎已经达到了它的使用极限。因此热强钢性能的提高和发展, 成为建设超临界/超超临界机组的关键技术之一。为适应火力发电机组向超临界/超超临界的发展, 提高材料的高温性能, 近20多年来, 美、日、欧等发达国家在开发电站新材料技术方面进行了大量的试验研究, 以进一步提高铁素体钢的高温蠕变断裂强度和提高奥氏体钢的高温强度、抗氧化抗腐蚀性、适用性和经济性等为主要研究方向, 充分利用多元复合强化原理, 研究开发了一批性能优异的新型钢种, 应用于超临

5、界/超超临界机组, 并渐已成为主力钢种。1常用新型铁素体和奥氏体锅炉用钢1. 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 21Mo (T22/P22 钢:T22/P22钢在上世纪70年代已得到了广泛的应用。703超临界/超超临界锅炉选材用材发电设备(2004No. 5(2 2. 25Cr 21. 6W 2V 2Cb (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, 已经列入ASM E 规范CASE2199。HCM2S (T23 比T22具有较

6、高的蠕变抗力和性价比, 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。9%Cr系列(1 T91/P91(9Cr1MoVNb 钢:T91/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 22W (N 在P91基础上, 以种, 已经列入。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N F616(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

7、能不能满足要求, 需使用12%Cr钢或不锈钢。(1 X20CrMoV121和X20CrMoWV121(HT91 钢:在欧洲曾得到大量的应用, 但是其焊接性能较差。(2 HCM12(12Cr1Mo1WVNb 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, 是一种铁素体/马氏体双相钢。具有良好的焊接性能、高温强度和抗氧化腐蚀性能, 适用于600以下锅炉部件。(3 12Cr 22W (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, 已经列入ASM E 规范CASE2180。其蠕变强度

8、进一步提高, 在600时许用应力比T91提高约25%, 并因为消除了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(12Cr0. 5Mo1. 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 N F12钢和SAV E12钢:正在开发中的耐热钢, 通过Ta 、Nb 等合金化, 使600的强度提高 到了650, 并已经在实验室得到验证。1. 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系列(1 TP304H

9、 、TP321H 、TP316H 钢:一般高温蒸汽下被广泛的使用, TP304H 使用的, (降低了敏化现象, 具有较高、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2超临界发电机组已经广泛被使用。(3 TP347HF G (18Cr 210Ni 2Cb 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。已经列入ASM E 规范CASE2159。(4 18Cr 29Ni 23Cu 2Cb

10、2N (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, 已经列入ASM E 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7002750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 21(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%225%Cr系列高温过热器、再热器由于钢管内的

11、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 含量对不锈钢的蒸汽氧化层有很大的影响,Cr 含量越多, 氧化层生成越慢。20%25%Cr 系列钢和高Cr 高Ni 钢, 蠕变强度高, 抗氧化803发电设备(2004No. 5 超临界/超超临界锅炉选材用材性能好, 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 220Ni 2Cb 2N (H

12、R3C 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。已经列入ASM E 规范CASE2115。可作为超临界/超超临界机组的主要候选材料。(2 N F709(20Cr25NiMoNb Ti paloyA 23(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 SAV E25(22. 5Cr18. 5NiWCuNiN 钢:正在开发中的新型钢种。1. 3ASME 规范材料上述众多

13、新型铁素体和奥氏体锅炉用钢中, 有一些已经列入ASM E 规范, 也较符合我们使用, , 商业化良好(1ASM E 规范的新型锅炉用材料材料组织类型ASME 规范牌号最高使用温度/铁素体2%CrCodeCase2199T23(HCM2S 6489%CrCodeCase2179T92(NF616 64812%CrCodeCase2180T122(HCM12A 648奥氏体18%CrCodeCase2159TP347H (细晶 732CodeCase2328Super304H 81520%25%CrCodeCase2115TP310HCbN (HR3C 7322超临界/超超临界锅炉用材料选择材料高

14、温性能, 主要衡量指标有:高温蠕变强度、热疲劳、耐腐蚀、以及抗氧化能力。在选用材料上, 既要考虑材料的高温性能, 又要考虑材料的工艺性能和综合经济性能。铁素体钢一般可以用于600以下锅炉热交换管, 但在620以上时, 铁素体钢抗高温烟气腐蚀和高温氧化的能力有限, 一般选用奥氏体钢。奥氏体钢主要用在过热器/再热器管的出口段, 在这一管段, 除了蠕变强度外, 抗氧化和烟气腐蚀成为重要考虑的因素新型铁素体系材料的应用, 使得铁素体系材料的使用极限温度由原来的600提高到了620左右, 可以部分替代了原用于该温度下的奥氏体系材料。而具有更好的高温性能、适应性好、经济性高的新型奥氏体材料的应用, 满足了

15、更高温度下的超临界/超超临界锅炉过热器、再热器部件的需要。2. 1水冷壁材料炉膛水冷壁管的选择, 取决于炉膛内最高的热交换量。在设计中, 选用的管子材料主要为T12、T22、欧洲研制的15Mo3以及我国常用的15CrMo 、12Cr1MoV 等材料。这些低合金铁素体材料具有良好的机械性能和加工性能, 能够适合水冷壁管排的布置。在超临界/超超临界锅炉设计中, 一般来说, T12用于水冷壁, 出口温度最高可以达到470, 因此T12常常被用于低温管排上。在更高的蒸汽条件与更高的水冷壁出口温度条件下, 需要根据不同的要求选择不同的材料。例如T22具有高于T12的蠕变断裂强度, 并具有更高的抗氧化性。

16、近年来, 一些新型的铁素体合金, 如T23钢等, 这些材料的蠕变强度有了很大的提高, 并且具有非常良好的焊接性能, 不需焊前预热和焊后热处理, 能够适用于更高的蒸汽参数和使用温度, 已经开始广泛应用于水冷壁等部件。2. 2过热器和再热器材料过热器与再热器是锅炉中工作环境最为恶劣的部件, 面临高温氧化、腐蚀, 是锅炉中承受压力903超临界/超超临界锅炉选材用材发电设备(2004No. 5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。过热器与再热器管子材料, 其蠕变强度必须足够高, 在其运行的压力与温度范围内, 有充足的安全裕度, 同时还要考虑管子对蒸气侧和烟气侧的抗氧化与抗腐蚀的要求

17、。虽然Cr 2Ni 奥氏体钢具有较高的高温强度和良好的抗氧化、耐腐蚀性能, 但是其存在价格偏高、热膨胀系数大、异种钢接头过早失效、易于晶间腐蚀等问题, 所以在保证机组运行的前提下, 应尽量少用或避免使用Cr 2Ni 奥氏体钢。在超临界/超超临界锅炉上, 器和再热器, 一般使用T22料。T91、良好的韧性、持久强度和焊接工艺性能, 其最高使用温度可以达到650, 在620以下可替代部分奥氏体不锈钢使用。在T91/P91基础上发展起来的T92/P92钢, 具有更高的许用应力和使用温度。在过热器和再热器的高温段, 当使用温度在620左右时, 可选用T91或T92钢, 而不必使用奥氏体钢。当使用温度超

18、过600时,9%Cr钢受抗氧化能力限制, 须采用12%Cr钢或奥氏体钢。新型钢种T122/P122钢, 其蠕变强度和抗氧化、抗腐蚀性能进一步提高, 在600时许用应力比T91提高约25%, 这种新型铁素体材料, 特别适用于620以下的过热器、再热器、联箱和主蒸汽管道上的厚壁部件, 可以使壁厚减薄, 降低热疲劳影响。奥氏体钢主要用在过热器和再热器管的出口段, 在这一管段, 除了蠕变强度、抗氧化和抗烟气腐蚀成为重要因素。当最高使用温度达到650时, 铁素体材料的抗氧化性能下降, 需使用部分TP347H 奥氏体不锈钢, 当最高使用温度在650以上时, 可以选用TP347HF G 钢、TP310CbN

19、 钢等, 这些新型的奥氏体不锈钢不但具有较高的高温强度, 特别是具有极佳的抗氧化和抗腐蚀性, 同时还具有较好的加工性和可焊性。当使用温度进一步提高到700左右时, 可以选用Super304H 经济型奥氏体不锈钢, 该钢蠕变断裂强度高于TP347H 约20%, 由于细晶粒而抗氧化耐腐蚀性能优异, 组织稳定性好, 可焊性优于TP347H , 并且经济性高, 可适用于700750以下过热器、再热器部件。基于上述情况, T22、T23、T91、T122、TP347H 、TP347HF G 等, 应是超临界/超超临界机组锅炉过热器和再热器钢管的首选材料和主要候选材料, 出口集箱可使用、P92、P122等

20、材料。, 而蒸汽侧氧化, 钢抗蒸汽侧。对于, 可选用Super304H 经济型奥氏体不锈钢。2. 3汽水分离集箱材料汽水分离集箱的工作温度随负荷的变化而变化, 一般为350430左右。虽然汽水分离集箱工作温度不高, 但需要承受机组频繁启停和快速负荷变化, 要求管壁薄、材料强度高, 以避免热疲劳破坏。使用温度400左右的高强度高应力15CrCuMoNb5(WB36 或13MnNiMoNb (BHW35 钢管, 其经济性最佳, 或选择使用较成熟的P22、P91等钢管制造。具有更高蠕变强度的新型铁素体材料P92及P122的应用, 可以使得管壁进一步减薄。另外德国生产的高强度的“高温用可焊钢DIWA3

21、73钢板”, 最高使用温度达到500, 用其加工制造汽水分离集箱, 也是一种非常经济的选择。2. 4蒸汽管道材料主蒸汽管道、过热蒸汽管道、再热蒸汽管道等, 一般使用P22或12Cr1MoV 钢管。由于在工作温度下其强度较低, 所以要求管壁较厚。但由于机组频繁启停和负荷变化, 可能会引起热疲劳破坏。因此可以使用具有更高蠕变强度P91、P92、P122等材料, 以减少壁厚。例如当选用P91钢时, 管子壁厚比P22钢可以减薄将近一半。综上所述, 在超临界/超超临界锅炉上, 推荐选择使用的材料见表2, 表3给出了这些推荐材料的主要性能。013发电设备(2004No. 5 超临界/超超临界锅炉选材用材表

22、2超临界/超超临界锅炉主要用材料选择表材料类型系列牌号用途过热器再热器低温高温屏过低温高温 省煤器水冷壁主要蒸汽管道过热蒸汽热再热冷再热最高使用温度/(注铁素体钢碳钢国产20G 48025Mn G 510ASMESA106C 510SA210C 5102%Cr国产15CrMo 56012Cr1MoV580T/P12560570(6489%Cr ASME T/P91650T/P92(NF61664812%CrASMET/P122(HCM12A 648奥氏体钢18%CrASMETP347H815TP347H (细晶 732Super304H 81520%25%CrASME TP310HCbN (H

23、R3C 732注1:符号为建议采用钢材。注2:数据来源:国产材料按蒸汽锅炉安全技术监察规程(1996 ,ASME 材料按ASME 第二卷D 篇锅炉及压力容器规范材料性能和CASES OF ASME BOIL ER AND PRESSURE V ESSEL CODE 。3结语超临界/超超临界机组锅炉材料, 是与机组的参数密切相关的。美国和前苏联早期的超临界机组由于参数选择过高, 超越了当时材料的技术水平, 运行后事故多、效率低、经济性差。日本超临界机组起步虽然较晚, 但有强大的钢铁工业提供高质量的材料, 并且参数选择合理, 因此发展顺利, 成为世界上发展超临界机组最成功、最先进的国家。从我们实际

24、国情出发, 发展更高蒸汽参数的大型超临界/超超临界火电机组, 是节约能源、改善环保状况的最现实有效的途径。而研究开发用于大型超临界/超超临界火电机组锅炉上的高性能、好加工、经济性好的新型材料, 是今后的主要工作方向。首先在确定参数系列前提下, 认真分析国外已经开发的新材料的性能, 选择适用的材料, 对其进行复核试验和相关的工艺试验, 掌握其工艺特点及使用性能, 做好技术储备; 其次做好材料国产化工作, 并通过实际设计与使用, 逐步形成具有我国特色的超临界/超超临界机组锅炉用材料系列。113超临界/超超临界锅炉选材用材发电设备(2004No. 5发电设备( 2004 No. 5 超临界/ 超超临

25、界锅炉选材用材 图3 超临界/ 超超临界锅炉选用材料性能比较 材 料 类 型 系列 国产 碳 钢 ASM E 常温机械性能 牌号 20 G 25Mn G SA106C SA210C T. S. MPa 410 485 485 485 440 470 415 415 510 585 620 Y. S. MPa 245 275 275 275 235 255 220 205 400 415 440 500 550 许用应力/ MPa 600 650 700 最高使用 温度/ 480 510 510 510 27 34 34 34 96 118 86 81 125 126 134 铁 素 体 钢 2% Cr ASM E 国产 15CrMo 12Cr1MoV T/ P12 T/ P22 T/ P23 ( HCM2S T/ P91