火电机组用钢

1、火电机组用钢现状及发展趋势,西安热工研究院有限公司 二一三年十二月,电站建设技术部：李益民,1.锅炉部件用钢 锅炉部件的工作条件 高温：450 510 540 568 610 700（超超临界机组） 高压：10MPa (1416)MPa(超高压) (1721)MPa(亚临界)(2427)MPa(超/超临界) 高温氧化、高温腐蚀、热循环、长期运行,1.1.锅筒（汽包）、汽水分离器（一） 1.1.1对材料的要求 高的高温强度：拉伸、疲劳 高的抗汽水腐蚀能力 良好的塑性和韧性 良好的工艺性能：热、冷加工性能及焊接性能 1.1.2 汽包用材 两类：碳钢或C-Mn钢系列：20g、22g 以美国、日本为代

2、表 SA299、SB49 低合金高强度钢：欧洲各国。如德国、法国、英国、前苏联等。BHW35 （DIWA353 / 13MnNiMo54 ）、BHW38、19Mn5、19Mn6、16、18MD4-05； 国产：18MnMoNb 1.1.3汽水分离器用材 P22， P91，F12,1.2锅炉水冷壁管材料（一） 1.2.1 对材料的要求 高的高温强度：拉伸、蠕变、持久强度、持久塑性、疲劳 高的抗氧化腐蚀性 高的组织稳定性 良好的工艺性能：热、冷加工性能及焊接性能,1.2.2材料的种类（见下表）,T23是日本住友公司开发的钢种，定名为HCM2S，在JIS标准中定名为STBA23； T24是欧洲V&M

3、(VALLOUREC&MANNESMANN)开发的钢种。 T/P23钢，通过添加1.6%的W、降低Mo含量（0.20%）与C含量 （0.040.10%）、同时添加少量的V、Nb、N与B。控制含C量在0.1%以下以提高可焊性。 最大淬火硬度控制在低于Hv 350。该钢种卓越的持久强度源自用W代替部分Mo并添加少 量B。固溶强化元素（W、Mo）和析出强化元素（V、Nb）的最佳值为 1.6W-0.1Mo-0.25V-0.05Nb（wt.%）。 T24钢。 与T24相比，可见T23成分中主要是添加了W，降低了Mo含量，并添加少量 的Nb；T24钢中无W元素，但Mo含量高于T23，且添加少量的Ti。经过

4、正火和回火处 理后，析出碳化铬、细小的钒及钴的碳氮化合物，提高蠕变性能。 组织：回火贝氏体+马氏体组织,尽管试验表明T/P23在焊接过程中不用预热也不会出现冷裂纹，而国外的资料介绍，对于壁厚小于10mm的小径管，焊前可不预热，焊后可不进行热处理。但在工程实际中发现，T23有一定的冷裂纹倾向，在拘束应力较大的条件下，不预热则易出现冷裂纹；焊后不热处理，接头的强度和塑性可满足相关标准，但热影响区硬度偏高，冲击韧性低，经710730回火，焊缝和热影响区的冲击韧性明显提高，所以目前工程中往往还是采用预热和焊后热处理。例如上海外高桥第三发电厂2 1000MW超超临界机组锅炉的T23钢制水冷壁光管和螺旋管

5、（38.16.78mm）在安装施工中，仍然采用焊接前150200的预热，焊后立即后热缓冷处理，用火焰方式移动加热至200300，保温10min。随后用石棉布等保温材料覆盖缓慢冷却至室温。经100%目视检查和100%MT后进行焊后.热处理。 工程中出现了诸多的T23钢制水冷壁管焊缝开裂的案例，裂纹在鳍片、填块角焊缝及对接焊缝均发生。,工程中也出现了诸多的高温再热器进口集箱上T23接管的开裂，图9-2-26示出了一台运行70天的660MW超超临界锅炉高温再热器进口集箱上T23接管侧焊缝开裂形貌（集箱材料为12Cr1MoVG，规格736.652mm），部分裂纹扩展引起蒸汽泄露。对开裂管的化学成分分析

6、、硬度和金相组织检查表明：T23管的化学成分符合 ASME SA-213标准，焊缝热影响区的粗晶区中出现了马氏体组织，导致相应区域的硬度高达290HV，使得该区域脆性增大，在载荷作用下开裂。,T23钢管向火侧内壁的氧化与氧化层的剥落 资料国华对SG-1913/25.4-M950超临界压力直流锅炉T23制末级过热器和高温再热器管向火侧内壁的氧化与氧化层的剥落进行了研究，过热蒸汽出口压力/温度25.4 MPa /571 ，再热蒸汽压力/温度为4.16 MPa /569 。结果表明：锅炉累计运行10874小时后T23钢末级过热器运行管的内壁氧化皮厚为0.12mm0.26mm ，脱落氧化皮厚度为0.0

7、90.12mm，且同一根管样不同位置内壁氧化层厚度存在较大差异（0.18mm0.26mm）。 T23钢末级过热器管内壁氧化皮脱落形式有大片状和椭圆状，氧化皮形成鼓包而脱落（图8-7）；焊接接头形状变化处的氧化皮易呈鳞片状脱落（图8-8）。,1.3.锅炉过热器、再热器管材料 1.3. 1锅炉过热器、再热器管用钢 低合金耐热钢 T23、T24 12Cr2MoG 、12Cr1MoVG、12Cr2MoWVTiB 912Cr%钢：T91、T92、T122 奥氏体不锈钢： TP304H、TP347H Super304、TP347HFG、HR3C （25Cr-20Ni-Nb-N）,1.3. 2 新型奥氏体耐

8、热不锈钢 电站锅炉用奥氏体耐热不锈钢主要为Cr18Ni8型不锈钢，随着超临界、超超临界机组的发展，新的25Cr20Ni型不锈钢开始应用，奥氏体耐热不锈钢的发展过程见下图,12,目前锅炉过热器、再热器管奥氏体耐热钢有两大类： 一类是以美国、日本为代表的Cr-Ni-Nb（Ti）系列，中国基本采用这一系列。 目前超（超）临界锅炉最常用的为18%Cr-8%Ni系列的 07Cr19Ni10（TP304H）、 07Cr18Ni11Nb（TP347H） 08Cr18Ni11Nb （TP347HFG） 25Cr-20%Ni系列的HR3C。 另一类为欧洲采用的Cr-Ni-Mo系列。 Cr-Ni-Nb（Ti）系列

9、奥氏体耐热钢含碳量略高于Cr-Ni-Mo系列,较高的碳优先与铌（钛） 形成碳化物，降低了碳与铬结合的程度，从而使钢基体中，特别是晶界保留较高 的铬含量，提高钢的抗氧化腐蚀性。 Cr-Ni-Mo添加钼到不锈钢中可增强不锈钢的钝化作用和耐蚀性，阻止点腐蚀倾向。 但由于钼是形成铁素体元素，故为了使钢得到奥氏体组织，要相应的增加镍含量。 另一方面，若含钼钢中碳含量较高，则在高温长期运行条件下，钢中易析出钼的 碳化物，使钢的持久强度降低。所以对于含钼不锈钢要降低碳含量，增加镍含量。 ASME中的 TP316H 也属于Cr-Ni-Mo系列不锈钢,（1） SUPER304H 日本住友金属株式会社和三菱重工开

10、发的钢种，目前已纳入日本MITI标准，美国ASME Code Case2328已予确认。 合金化特点 性能特点 抗氧化腐蚀性能 焊接性能,14,SUPER304H为日本住友金属株式会社的专利牌号。 日本标准牌号为“火SUS304J1HTB”。 ASME SA-213M标准（2008补遗），UNS号为S30432。,（2） TP347 FG Sumitomo公司开发出了一种细晶粒TP347 FG不锈钢管，作为188型不锈钢的最佳改良钢种，TP347 FG比其它18-8型不锈钢更适合于作为蒸汽温度为565620的超超临界末级过热器和末级再热器候选材料使用 TP347HFG的标准化和化学成分 TP3

11、47HFG的研发背景和制造工艺 TP347HFG主要性能介绍及强化方式,（3） HR3C（Cr25-Ni20系列） 日本住友金属开发到新钢种，美国ASME Code Case2115已予确认。 合金化特点 性能特点 抗氧化腐蚀性能 焊接性能,1.4.主（再热）蒸汽管道、高温联箱 1.4.1对材料的要求 高的高温强度：拉伸、蠕变、持久强度、持久塑性、疲劳 高的抗氧化腐蚀性 高的组织稳定性 良好的工艺性能：热、冷加工性能及焊接性能 1.4.2材料的种类 主/再热蒸汽管道、高温联箱和高温过热器/再热器管材基本可分两大类 (1)低合金耐热钢：（主要用于高温高压机组） 12MoCr、 15MoCr、 1

12、0CrMo910（2.25Cr-1Mo）、12Cr1MoV 、 12Cr2MoWVTiB、15Cr1Mo1V,(2)马氏体耐热钢：（912）Cr系列（主要用于超临界、超超临界机组） 9Cr1-Mo系列 T91P91 T92/P92（NF616，日本） E911（COST“B”，欧洲） 12Cr系列 X20CrMoV121（F12） 第一代12Cr钢 X20CrMoWV121（F11） 12Cr1Mo1WVNb（HCM12） 第二代12Cr钢 HCM12A（TP122） 12Cr0.5Mo1.8WVNb(TB12) 第三代12Cr钢 11CrWVNbCoBN(NF12) 11CrWCoVNbTa

13、NdN(SAVE12) 第四代12Cr钢,(2)马氏体耐热钢：（912）Cr系列（主要用于超临界、超超临界机组） 9Cr1-Mo系列 T91P91 T92/P92（NF616，日本） E911（COST“B”，欧洲） 12Cr系列 X20CrMoV121（F12） 第一代12Cr钢 X20CrMoWV121（F11） 12Cr1Mo1WVNb（HCM12） 第二代12Cr钢 HCM12A（TP122） 12Cr0.5Mo1.8WVNb(TB12) 第三代12Cr钢 11CrWVNbCoBN(NF12) 11CrWCoVNbTaNdN(SAVE12) 第四代12Cr钢,1.4.3马氏体耐热钢常用

14、材料的牌号,21,超(超)临界机组用钢的合金化原理 降低钢中C含量，一方面保证钢的强度，另一方面增强了钢的组织稳定性； 高的Cr量和少量Al的加入，大大的提高了钢的抗氧化性和抗腐蚀能力； Cr、Mo、W、Mn元素的加入起到了固溶强化的作用，保证了钢的基体强度，同时，Mo元素的加入提高了钢的再结晶温度，延缓了高温运行下马氏体的分解； 添加少量的N使钢的第二相增加，不仅有碳化物，还有氮化物等； V及强碳化物元素Nb的加入，在钢中形成复合碳化物Nb（C、N），细小粒子对钢的基体产生了沉淀强化效应，同时提高了钢在高温服役条件下的组织稳定性； 低的P、S含量提高了钢的品质，同时也使晶界得到了净化，提高了

15、晶界强度。,1.4.3.1 T/P91钢介绍 9Cr1Mo钢的发展历程 TP91钢的合金化特点 TP91钢的热处理及微观组织特点（晶粒度4级） T91P91钢的力学性能 P91钢焊接接头特性 a) 冲击韧性：焊缝熔合线区热影响区。 b) 冲击韧性与硬度的关系 c) 硬度与断裂韧性的关系 d) 提高焊缝韧性的措施,1.4.3.2 T/P92钢介绍 T/P92钢的纳标 TP92钢的合金化特点 TP92钢的热处理及微观组织特点 TP92钢的力学性能 P92钢焊接接头特性 TP92钢的抗氧化和抗腐蚀性能,24,1.4.3.3 P91/P92钢中易出现的问题 （1） P91/P92钢和焊缝的硬度 工程中

16、经常发现P91/P92钢管局部硬度偏低。例如， 某电厂一根P92钢管，大部分区域硬度为200HB，但在轴向1400mm、 周向约1/3周的区域，硬度仅为165HB，最低的150HB左右。 某电厂3号炉P92钢制末级过热器出口管道母材硬度在HB140HB174之间。 DL438/T-2009“火力发电厂金属技术监督规程”中规定：9-12%Cr钢母材硬度为180-250HB；焊缝硬度为180-270HB。 。,ASME 关于9-12%Cr钢的监督,ASME 关于9-12%Cr钢的监督,ASTM A213/335 -2010中规定： T/P91 的硬度范围190-250HB,29,（2） P91/P

17、92钢及焊缝的异常金相组织,30,（2） P91/P92钢及焊缝的异常金相组织,P92钢中的铁素体,P92钢中的可逆铁素体,P92钢中的可逆铁素体,P91钢中的铁素体+第二相（140HB）,31,（2） P91/P92钢及焊缝的异常金相组织,P91钢焊缝的晶界网状组织 T91钢管上随意点焊导致的开裂,T91焊缝金属中存在线状黑色影线，黑色影线的分布基本均在焊道重叠的位置，即上一道或上几道对下一道发生热影响的位置,试验结果表明，这种黑色阴影线对接头的室温性能无不利影响。 对P91焊缝金属中线状黑色影线的成因，认为与焊接溶池中最后凝固的溶液富含Cr（Mo）有关。焊接过程中铬与碳结合成铬的碳化物，在

18、焊后热处理过程中促进该区域富Cr（Mo）的碳化物析出，导致富Cr区碳化物的数量多于其他区域。碳化物与基体对腐蚀溶液的耐腐蚀性不一致,从而在金相检验中出现黑色阴影线。,33,912Cr钢焊缝金相组织,模拟正常焊接试样焊缝、HAZ和母材的硬度处于正常范围；弯曲合格；冲击功低于有关标准和各国有关公司对T/P91焊缝冲击功的要求，但高于母材的横向指标、低于纵向指标。 超规范焊接接试样为堆焊试样，无法取样进行拉伸、弯曲试验，故只进行了冲击和硬度试验。黑色阴影线与黑色阴影线外的硬度正常，且差异很小，冲击功反而高于模拟正常焊接试样。,34,(3) T91钢管内壁腐蚀 2028t/h “W”型亚临界自然循环汽

19、包炉，高温再热器T91管(574.5)内壁严重腐蚀。 1号机组于2008年9月30日通过168小时，至2008年10月6日停机；2009年2月16日再次启动，因高温再热器管发生爆漏于2009年2月20日再次停机。,35,能谱分析结果表明：发生腐蚀的部位腐蚀产物中均不同程度的含有Na、Ca、Cu、Mg等外来元素，从表层到内层逐渐降低，腐蚀严重的部位这些元素含量比腐蚀轻的部位明显多， 这表明腐蚀程度与外来元素有关。由此推断，表面污物越多，腐蚀越严重，没有污物的区域腐蚀很轻，表明管子内表面脏污程度决定了腐蚀程度。,36,原因： 安装前管子内壁粘有不同程度的污物， 安装后，管子内的污物大部分沉降到U型

20、管的下弯头处和水平段，受污染的管子 没有得到及时处理和保养，遇到环境潮湿或积水且有氧气的存在，从而产生了沉积 物下腐蚀。垂直管段由于表面不易沉积污物，腐蚀也较轻。 水压试验结束后，因安装需要试验用水被放掉，但高再管内的水不可能完全放尽， 这就会在U型管下部产生不同程度的积水。 锅炉放水时，由于排气门打开，空气进入管子内部，空气中含有CO2，CO2会使 水的pH下降，而水中的氨还会不断地向气空间中挥发，再加上污物的影响，因此 本来碱性的水可能会变为中性或弱酸性水，水的腐蚀性就会变强。 综上所述：#1机组锅炉高再T91管腐蚀的主要原因是沉积物下腐蚀， 发生时间在锅炉吹管以前。,37,试验 将表面打

21、磨干净的管样放入500mg/L氨水+200mg/L联氨的除盐水中，瓶口密封或将瓶口塞子松开，漏出小的缝隙，6个月未见明显腐蚀,38,在上述试验溶液中加入少量铁锈，铁锈自然沉降后落在了光亮的试样 表面，14天后表面落有铁锈的部位发生明显腐蚀；表面没有沾污的部位 仍然没有腐蚀。,39,将表面打磨处理干净的管样放入500mg/L氨水+200mg/L联氨的 除盐水中，管样一半在水中一半在液面外，在管样的中间部位撒一 些土，瓶口盖一块表面皿，6个月后表面撒土的部位明显锈蚀， 其它部位腐蚀轻微。,40,P91运行7.5万小时后内壁形貌,深度约2mm,1.4.3.4 E911钢介绍 E911钢的合金化特点

22、E911钢的热处理及微观组织特点 E911钢的力学性能 E911钢焊接接头特性,1.4.3.5 P122钢（HCM12A）介绍 P122钢合金化特点 P122钢的热处理及微观组织特点 P122钢的力学性能 P122钢焊接特性 P122钢的抗氧化和抗腐蚀性能,T122 20世纪90年代，日本住友金属株式会社(Sumitomo Metal lndLtd)在传统的12%Cr钢的基础上，开发了具有更高热强性和耐蚀性的HCMl2A钢，当时的试验数据表明，HCMl2A钢的抗高温氧化性、耐蚀性及热强性优于9Cr钢，许用应力是T/P91的1.3倍，但略低于T/P92。 HCMl2A在METI（日本通产经济省）

23、的热力设备技术基准规范中的牌号为SUS410J3TB，Cr含量为（10.0012.50）%，不区分微观金相组织为单相（回火马氏体）还是双相（回火马氏体+-铁素体）。2002，METI将HCMl2A区分为两个钢号：单相马氏体的SUS410J3TB，Cr含量为（10.0011.50）%；双相的SUS410J3DTB，Cr含量为（11.5012.50）%，因Cr含量较高，所以微观组织为回火马氏体+-铁素体。 HCMl2A于1997年在ASME登记备案，编号为Code Case 2180-1。2004年纳入ASME SA213 和SA335规范，定名为T/P122；在ASMESA 182中将其定名为F

24、122。,43,1.5主给水管道用钢 WB36 该钢在欧洲的EN10216-2中的牌号为15NiCuMoNb5-6-4，在德国VdTUV中为15NiCuMoNb5，在ASME SA335-08中为P36，在ASME SA182-08中为F36，在我国GB5310 -2008中为15Ni1MnMoNbCu，瓦卢瑞克曼内斯曼钢管公司 （VOLLORECMANNESMANN，简写V&M）定名为WB36,WB36是一种在C(最大0.18)-Mn(1)钢的基础上添加Ni(1.1)、Cu(O.7)、Mo(O.3)和微量Nb进行合金化的贝氏体钢。Ni、Cu、Mo和微量Nb的添加，使钢的强度、特别是450左右

25、的强度大大提高，微量的Nb可使钢的晶粒细化，Cu的添加可增加钢的抗腐蚀性但会对导致钢的红脆性，为了避免在热成型过程中的脆性，将Cu/Ni比控制在1.2左右。,WB36钢在正火回火下使用。WB36钢回火后 得到贝氏体+铁素体组织，一般的贝氏体含量在 40%-60%之间。 硬度与强度,47,硬度异常 钢管规格OD55960 钢管材质15NiCuMoNb5-6-4,拉伸试验结果（轴向）,1.6.锅炉受热面固定件和吹灰器用钢 （1）服役条件 高温：600900；高温氧化、高温腐蚀、热循环、长期运行 （2）对材料的要求 高的高温强度：拉伸、疲劳 高的抗氧化、腐蚀能力 良好的疲劳性能 良好的工艺性能：热、冷加工性能及焊接性能,（3）常用材料的牌号 锅炉受热面固定件和吹灰器常用钢的牌号见下表。,1.7.锅炉铸钢件用钢 （1）对材料的要求 良好的浇注性能 高温下长期服役的铸件，应有较高的持久强度、疲劳强度和组织稳定性。 良好的抗氧化性 （2）常用的材料 锅炉铸钢件常用牌号见下表,2.汽轮机/发电机用钢 2.1汽轮机/发电机用钢 汽轮机转子 30Cr2MoV 30Cr1Mo1V 发电机转子 30Cr2Ni4MoV 26Cr2Ni4M