国内外超超临界机组锅炉用钢的常用材料及使用特点

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1、国内外超超临界机组锅炉用钢的常用材料及使用特点

2、第1从目前世界火力发电技术水平来看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高工作介质（蒸汽）的参数，即提高蒸汽温度和压力。发展超临界（ＳＣ）和超超临界（ＵＳＣ）火电机组，提高蒸汽参数对提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。随着蒸汽温度和压力的提高，电厂锅炉的效率在大幅度提高，供电煤耗大幅度下降，提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材料耐高温、耐高压问题。锅炉用钢超超临界机组的关键部位是高温高压蒸汽管道、集箱、过热器、再热器和水冷壁管等，这些都涉及到蠕变强度的问题。而

3、且，管道和集箱等大部件还得面对由于热应力而造成的疲劳问题。相对于奥氏体不锈钢而言，铁素体和马氏体钢由于低热膨胀系数和高导热性而优先采用。早期超超临界采用奥氏体钢的主要问题是热疲劳问题。最近几十年的研究集中于开发能够替代奥氏体钢的低成本高强度铁素体钢，并已经开发了具有良好焊接性能和断裂韧性且能够用于６２０℃的铁素体钢。过热器和再热器管材料需要具有高蠕变强度、热疲劳强度、良好焊接性能、向火侧耐腐蚀和蒸汽侧耐氧化能力，一般采用铁素体和马氏体钢。然而，这些钢种中最好的理论上能用于管壁温度６２０℃，但是在５９３℃左右

4、由于向火侧腐蚀原因而受到限制。大量管子中沉积的液态碱、硫酸盐能加速对铁素体钢的腐蚀，这在美国尤其突出，因为美国煤种中含硫量比较高。因此美国较少采用高强铁素体不锈钢如Ｔ９１，低温下采用Ｔ２２，而在高温下一般采用ＳＳ３０４Ｈ或ＳＳ３４７。对水冷壁而言，一方面高临界压力和炉膛的高温将提高水冷壁温度至临界点，这将导致易焊接的低合金钢（如Ｔ１１１．２５Ｃｒ，０．５Ｍｏ）在蠕变强度方面是不够的。理论上高强度钢如Ｔ９１是可以的，但Ｔ９１需要焊后热处理。另一方面是腐蚀问题，最近研究表明，采用二次风，改进型低ＮＯｘ燃烧系统，

5、低合金钢腐蚀能达到２ｍｍ／ａ，因此必须使用易焊接的含Ｃｒ高强度合金来减少或消除腐蚀。联箱和蒸汽管道材料１联箱和蒸汽管道所需材料特性管道里的蒸汽温度是比较均匀的，但联箱里的温度分布与时间和地点有关。因此，相对于管道而言，联箱材料就需要更高的热疲劳强度。管道更要考虑自重所引起的应力。最重要的不同点是联箱与过热器和再热器管连接的进口处有很多焊口，而出口有很多与管道交叉在一起。根据各自的条件，联箱、过热器和再热器管选择不同的材料，必然要涉及到异种钢的焊接问题。联箱和管道在美国一般采用低合钢如Ｐ１１和Ｐ２２，目前，在

6、Ｐ１１和Ｐ２２基础上又开发出了能工作在５９３℃的新钢种，包括ＨＴ９、ＨＴ９１、ＨＣＭ９Ｍ、ＨＣＭ１２和Ｐ９１。ＨＴ９和ＨＴ９１在５００～６００℃范围内能稳定工作超过１０５ｈ。德国、比利时、荷兰、南非等国家，在蒸汽温度５４０℃，某些部位温度达５６０～５８０℃的情况下用了超过２０ａ。在某些特殊场合焊接和焊后热处理过程中也存在问题。含Ｃ量的提高和相对低Ｍｓ温度将促进焊后马氏体的形成、高残余应力、冷裂纹和应力集中等。这些问题能通过控制焊前和焊后热处理温度来克服。在蠕变断裂强度明显优于ＨＴ９、ＨＴ９１和ＨＣＭ９Ｍ的改

7、进型９Ｃｒ合金Ｐ９１是用于５９５℃温度下联箱和蒸汽管道的首选材料。近年来欧洲的超临界机组大部分采用Ｐ９１作主蒸汽和再热蒸汽管道，还有用作集箱和其他的一些蒸汽管道。欧洲人发现Ｐ９１的焊接性能和蠕变强度都比ＨＴ９１钢好，广泛应用于超临界机组。Ｐ９１具有较高的蠕变强度是因为合金加入了少量的Ｖ、Ｎｂ和Ｎ，促使碳化物Ｍ２３Ｃ６和碳氮化物（Ｎｂ、Ｖ）的沉淀，而且通过Ｍｏ使溶解能力增强。更多研究想证明Ｐ９１用作大型部件的可靠性。这些研究包括对原始样和服役试样的焊接试验，弯曲试验，冷热试验，多样力学试验等等，这些研究结果对

8、于Ｐ９１用于超临界机组的大型部件提供了依据。日本Ｆｕｊｉｔａ发现９-１２Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ钢的蠕变断裂强度能够通过用Ｗ替换Ｍｏ来提高３０%。由日本钢种ＮＦ６１（Ｐ９２）发展的９Ｃｒ钢和由Ｐ１２２发展的１２Ｃｒ钢，ＡＳＭＥ推荐适用大型构件。在欧洲开发了另外一种含Ｗ的合金Ｅ９１１。这些新钢种在６００℃的强度比Ｐ９１高２５%左右。这些钢允许蒸汽温度可以达到６２０℃，压力可以达到３４ＭＰａ。从Ｐ９１之后又出现了可以适用于超超临界机组工作６２０℃条件下的钢种Ｐ１２２、ＮＦ６１６和Ｅ９１１，ＨＣＭ１２、ＥＭ１２、ＨＣ

9、Ｍ９Ｍ和ＨＴ９１适合中等温度（５９３℃）条件下。在给定温度下，具有高允许应力的材料可以设计更薄的水冷壁联箱和管子。２应用铁素体钢做联箱应注意（１）高强铁素体合金，如ＮＦ６１６、ＨＣＭ１２Ａ和Ｅ９１１实际上和奥氏体合金的高温强度一样。但是抗氧化性比奥氏体差，因此这些９-１２Ｃｒ合金用于高温部件时必须先充分评估。（２）对于９-１２Ｃｒ钢焊接时需要焊后热处理，确保获得最小焊接应力和最佳韧性。并设计出减少热处理区域的工艺