国内外超超临界机组锅炉用钢的常用材料及使用特点

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

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