超超临界机组锅炉选材分析

1,2012年02月06日,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,安全技术部 高林,2,内容提要,摘要,2,1,3,结束语,超临界/超超临界锅炉用材选择,常用新型铁素体和奥氏体锅炉用钢,3,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,提高火力发电机组参数，是提高机组效率和节能环保的重要途径。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，有水变成蒸汽是连续单向的。,典型的超临界锅炉蒸汽参数一般为23.5MPa 26.54MPa、 538 543 / 538 566 。,一般认为当压力超过28MPa、温度超过600 以上时，称为超超临界锅炉。,4,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。因此热强刚性能的提高和发展，成为建设超临界/超超临界机组的关键技术之一。,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,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，应用于超临界/超超临界机组，并渐成为主力钢种。,5,1,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,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）2.2.5Cr1Mo（T22/P22）钢在上世纪70年代已得到了广泛的应用。 （2）2.2.5Cr1.6WVNb（HCM2S/T23）钢：在T22/P22基础上，以W、V、Nb取代Mo，并降低C含量而得到得到的新型钢种，已经列入ASME规范CASE2199。 HCM2S（T23）比T22具有较高的蠕变抗力和性价比，具有优良的焊接性能，应作为水冷壁，低温过热器等部件的首选材料。,6,1,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,9%Cr系列 （1）T91/P91(9Cr1MoVNb）钢：T91/P91钢具有较高的强度和韧性、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）9Cr2W（NF616或T92/P92）钢：在T91/P91基础上，以W取代了部分Mo而得到的新钢种，已经列入ASME规范CASE2179。 比T91/P91具有更高的需用应力，可用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NF616（或T92）相近。,7,1,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,12%Cr系列 一般当温度在620 以上时， 9%Cr钢抗氧化性能不能满足要求，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的合金化而形成的，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 以下的锅炉部件。 （3）12Cr2W（ HCM12 A或T122/P122）钢：在HCM12的基础上用W取代更多的Mo，并添加1%的Cu而得到的新型钢种，已经列入ASME规范CASE2180。其蠕变强度进一步提高，在600 时需用应力比T91提高约25%，并因为消除了铁素体而韧性得到提高。该钢种特别适用于适用于620 以下的厚壁部件。,8,1,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,（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的新型钢种。 （5）NF12钢和SAVE12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、TP312H、TP316H钢：一般高温蒸汽下被广泛的使用，尤其是TP304H使用的最为普遍，但其容易敏化。,1,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,（2）TP347H钢：奥氏体不锈钢经添加微量元素Nb作为稳定剂，降低了敏化现象，具有较高的蠕变强度、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，目前在亚临界超临界发电机组已经广泛被使用。（3）TP347HFG（18Cr10NiCb）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作用，在许多超临界/超超临界机组上得到了应用。已经列入ASME规范CASE2159。,10,1,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,（4）18Cr-9Ni-3Cu-Cb-N（super304H）钢：在TP304H的基础上，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ASME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700-750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-1（18Cr9NiCuNbN）钢：在TP304H的基础上，通过Cu、Ni、N合金化而得到的一种新型经济型钢种。,11,1,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,20% -25%Cr系列 高温过热器、再热器由于钢管内的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翘片的损伤。Cr含量对不锈钢的蒸汽氧化层有很大的影响，Cr含量越多，氧化成生成越慢。20% -25%Cr系列钢和高Cr高Ni钢，蠕变强度高，抗氧化性能好，但是价格过高限制了其使用。 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，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-20Ni-Cb-N（HR3C或TP310 CbN）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ASME规范CASE2115。可作为超临界/超超临界机组的主要候选材料。（2）NF709（20Cr25NiMoNbTa）钢以及Tem-paloyA-3（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）SAVE25（22.5Cr18.5NiWCuMoNiN）钢：正在开发中的新型钢种。,1,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,13,1,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,1.3 ASME规范材料上述众多新型铁素体和奥氏体锅炉用钢中，有一些已经列入ASME规范（见表1），也较符合我们使用材料的习惯，且大多获得了广泛应用，商业化良好。,表1 列入ASME规范的新型锅炉用材料,14,2,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,2 超临界/超超临界锅炉用材选择 材料高温性能、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主要考虑的因素。 新型铁素体材料的应用，使得铁素体系材料的应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。,15,2,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,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，并且具有更高的抗氧化性。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,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,2.2过热器和再热器材料 过热器和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，是锅炉中承受压力最大、温度最高的受压部件，所以也是对材料要求最高的部件。 过热器和再热器管子材料，其蠕变强度必须足够高，在其运行的压力与温度范围内，有足够的安全裕度，同时还要考虑管子对蒸汽侧和烟气侧的抗氧化与抗腐蚀的要求。虽然Cr-Ni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-Ni奥氏体钢。 在超临界/超超临界锅炉上，对于低温段过热器和再热器，一般使用T22、12Cr1MoV、T23等材料。,17,2,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,T91钢具有较高的高温强度、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以下可代替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。,18,2,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,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，当最高使用温度达到650以上时，可以选用TP347HFG钢、TP310CbN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。,19,2,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,基于上述情况，T22、T23、T91、T122、TP347HT、P347HFG等，应是超临界/超超临界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P91、P92、P122等材料。如果烟气侧腐蚀不是很严重，而蒸汽侧氧化成为主要问题的情况下TP310CbN钢抗蒸汽侧氧化性能最佳，因此可以是最经济的选择。对于更高的使用温度，可以选用super304H经济型奥氏体不锈钢。,20,2,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,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15NiCuMoNb（WB36）或13MnNiMoNb（WHB35）钢管，其经济性最佳，或选择使用较为成熟的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DIWA373钢板”，最高使用温度达到500，用其加工制造汽水分离器集箱，也是一种非常经济的选择。,21,2,超临界/超超临界机组锅炉选材简介,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