新材料及焊接工艺简介

1、超超临界锅炉受压件材料对锅炉受热受压元件选用材料的考虑，不仅仅是一般意义上的强度、抗腐蚀、抗氧 化性能中的某一项技术指标，而是寻求一种具有保证机组安全可靠运行的、并具备优良 工艺性能和良好质价比的材料。超超临界锅炉蒸汽温度和压力的提高对材料的热强性能、 抗高温腐蚀和蒸汽氧化能 力都有更高的要求。在采用与亚临界锅炉或者超临界锅炉相同材料前提下，蒸汽温度和 压力的提高势必要求增加材料的厚度(主要是管壁厚度) ，而厚壁部件的生产、焊接、 热处理、探伤等工艺等都有更多的困难，同时还会降低机组的启停速率和调峰能力。要 实现高蒸汽参数机组的可靠运行，就必须使用与高的参数相适应的高性能的耐热材料。对于超超临

2、界锅炉受压部件的选材，其特殊性主要体现在水冷壁、末级过热器、末 级再热器、主蒸汽管道及集箱等部件。以下对被收录到 ASME/AST和ASME CODE CA(规范案例)的一部分新型锅炉材料进行简要介绍，其中一些材料已被应用到哈锅承制的国内第一台1000MW等级的超超临界锅炉 玉环工程上，如 P92、Super 304H 和 CODE CASE 211。5一、超超临界锅炉用新型912%C铁素体耐热钢1 T/P92是一种新型的9%Cr的马氏体热强钢。该钢是由日本新日铁公司在T/P91(9Cr-1Mo-V-Nb)合金成分的基础上通过加入1.8 %的W取代部分Me,大大提高了固溶强化的效果，得到了 N

3、F61(T/P92,9Cr0.5Mo1.8WVNb, 600C的许用应力比 T91高34%, 可用作620C以下的锅炉厚壁部件。该钢已正式被收录到 ASME规范中的SA-213和SA-335标准中，其许用应力按规范 案例(CODE CASE2179-3。该类钢目前由德国的 V&M和日本的住友金属生产。2E911(T/P911)E911是欧洲COST501开发的新钢种，最初是作为转子用钢设计的，后来在欧洲主 要作为锅炉小管和厚壁部件材料进行开发， 其成分与日本新日铁开发的 NF616(T92/P92) 类似，也是一种9%C啲马氏体热强钢，是在P91基础上以1.0 % W取代部分Mo在ASME 规

4、范中提供的高温许用应力值略低于 P92。该钢种已被收录到 ASTM A 213-03a和A335-03中，其牌号为 T/P911。在现行的ASME200版规范中该钢种以CODE CASE 232的形式出现，正式进入规范材料。二、 新型的奥氏体耐热钢1Super304HSuper 304H是基于已被广泛使用的、传统的奥氏体耐热钢TP304H( 18Cr-8Ni )钢，应用多元合金强化理论、弥散强化理论等开发的一种新型的奥氏体钢，其公称成分为 (0.1C-18Cr-9Ni- 3Cu-Nb-N) 。现已被列入了 ASME CODE CASE 23， 2并8 收录到美国材料 与试验学会材料标准ASTM

5、 A 213 (03a 版)中，UNS编号 S30432;日本标准牌号SUS304J1HTB该钢由日本Y.Sawaragi等人开发，日本住友金属株式会社将其工业化生 产，在成分上的特征是：为提高蠕变断裂强度增加了 3流右的Cs即在蠕变中Cu富集相在奥氏体基体 中微细分散共格析出，大幅度提高了材料的蠕变断裂强度;通过复合加入Nb N元素，达到进一步提高材料的高温强度和持久塑性。 该钢在成分的设计上以典型的 18Cr-8Ni 作为基础，从经济性的角度出发，不用价 格相对较高的W Mo等元素，利用多元合金化原理，即显著提高了材料的高温蠕变断裂 强度，又使其耐高温烟气腐蚀和高温蒸汽氧化与细晶粒TP34

6、7H(TP347HFG大致相同。Super304H在 650C时的许用应力比 TP304H高 90% 比 TP347H高 48% 比 TP347HFGK 21% 而且比25Cr-20Ni类的TP310HCbN(HR3略高5流右。由于 Super304H在高温下 具有较高的蠕变断裂强度和许用应力，因此该钢是表 1 中性能价格比最好的材料，采用 这种钢管制造超超临界锅炉受压部件的经济性非常显著，同时可以使钢管壁厚减薄，钢 耗量大大降低。该材料首次实际装机运行时间是 1989 年，由三菱重工株式会社与和歌山共同火力 株式会社共同使用在锅炉的过热器和再热器上 (参数19MPa 571/543 C)运行

7、了 6年， 其中原町 1 号炉 1997年投运至今已 8年。高参数下的更长期的安全使用性能还需要实 机考核。该钢的焊接性和冷热加工性与 TP347H相当。另外，从1989年开始，哈尔滨锅炉厂 有限责任公司、东方锅炉股份有限责任公司、上海锅炉厂有限责任公司、机械部发电设 备服务中心与日本住友金属公司合作，对一些新型耐热钢进行了部分的性能复核及研 究，针对的主要材料是 T23(HCM2S) T91/P91、HCM12ASuper 304H。该钢种目前只有日本住友金属一家公司在生产， 实用业绩也主要集中在日本本土或 其设计的锅炉，三菱公司与哈锅合作的玉环、泰州、营口、阚山、河源工程超超临界锅炉上使用

8、了该材料。2.HR3C(TP310HCbN)HR3C是一种结合了 TP310H和TP310Cb勺改进的25Cr-20Ni型奥氏体耐热钢，其公 称成分为 0.1C-25Cr-20Ni-Nb-N，现列入了 ASME SA-213/SA-213M标准中，材料牌号 TP310HCbNUNS S31042,许用应力按 ASME CODE CASE 2115。该材料由日本住友金 属株式会社开发，由于在原 TP310H的基础上添加了微量的Nb和N( Nb: 0.200.60%, N: 0.150.35%),使这种钢的高温许用应力在 950T(520E)以上比TP310H有显著提 高，在金属壁温为650E时，

9、该材料的高温蠕变强度为TP310H的2倍左右。由于具有高 Cr、高Ni，因此抗高温蒸汽氧化、抗烟气腐蚀的性能比18Cr-8Ni或19Cr-11Ni要高出许多，是一种以高参数的超超临界锅炉过热器或再热器高温段部件为使用背景的材料。HR3C目前住友金属生产，但类似的25C级钢在日本有二、三家钢厂生产。以上六种材料的化学成分、常温力学性能、许用应力见表 1表 4。表1奥氏体钢管的化学成分和力学性能材料 牌号Super 304HTP347HFGTP304HTP347HTP310HTP310HCbN(HR3C)UNS编号S30432-S30409S34709S31009S31042公称 成分18Cr-9

10、Ni-3Cu-Cb-N18Cr-10Ni-Cb18Cr-8Ni18Cr-10Ni-Cb25Cr-20N25Cr-20Ni-Cb-N材料 标准SA-213CODE CASE2328SA-213CODE CASE2159-1SA-213SA-213SA-213SA-213CODE CASE2115-1化学成分C0.07-0.130.06-0.100.04-0.100.04-0.100.04-0.100.04-0.10Siw 0.30w 0.75w 0.75w 0.75w 0.75w 0.75Mnw 0.50w 2.00w 2.00w 2.00w 2.00w 2.00Pw 0.045w 0.040w

11、 0.040w 0.040w 0.040w 0.030Sw 0.030w 0.030w 0.030w 0.030w 0.030w 0.030Cr17.00-19.0017.00-22.0018.0-20.017.0-20.024.00-26.24.00-26.0000Ni7.50-10.509.00-13.08.00-11.009.00-13.0019.00-22.17.00-23.00nnNb0.20-0.60000.20-0.60Ta+Nb0.20-0.80 8 X C1.08X C1.0Cu2.50-3.50Al0.003-0.030N0.05-0.120.15-0.35B0.001-0

12、.010室温力学性能抗拉强度Rm ksi (MPa) 80 80 75 75 75 95(550)(550)(515)(515)(515)(655)屈服强度Rp0.2 ksi(MPa) 30 30 30 30 30 43(205)(205)(205)(205)(205)(295)伸长率A50mm,% 35 35 35 35 35 30硬度w 192HBw 192HBw 192HBw 192HBw 192HBw 256HB(90HRB)(90HRB)(90HRB)(90HRB)(90HRB)(100HRB)表2奥氏体钢管的许用应力金属温度不超过 F许用应力值（ksi ）Super 304HTP3

13、47HFGTP304HTP347HTP310HTP310HCbN(HR3C)-20 10020.020.020202027.120020.020.020202026.930020.020.018.918.82025.440020.019.918.317.819.924.650019.419.317.517.119.324.260018.619.116.616.918.524.065018.319.016.216.818.223.970018.018.915.816.817.923.875017.718.815.516.817.723.780017.418.615.216.817.423.685

14、017.218.314.916.817.223.490016.918.114.616.716.923.195016.717.914.316.616.722.8100016.417.71416.413.822.4105016.217.512.416.210.322.0110016.016.69.814.17.616.1115014.712.87.710.55.513.6120011.49.76.17.9410.112508.77.34.75.937.613006.55.43.74.42.25.713504.74.02.93.21.74.314003.32.32.51.314502.21.81.8

15、0.9715001.51.41.30.75(1) TP304H TP347H和 TP310H的许用应力摘自 ASME Section II-D 篇；(2) Super 304H、TP347HFC和 TP310HCbN的许用应力摘自 ASME规范案例(CODE CAS)Super304H25TP347HFGTP310HCbTP304H20TP347HTP310H15A100200300400500600700800900100011001200130014001500温度b场应用许图1几种奥氏体钢的许用应力表3铁素体钢管的化学成分和力学性能材料牌号T91/P91T92/P92(NF616)T91

16、1/P911(E911)T122/P122(HCM12A)公称成分9Cr-1Mo-V9Cr-2W9Cr-1Mo-1W-Cb12Cr-2W材料标准ASME SA-213ASME SA-335ASME SA-213ASME SA-335CODE CASE2179-3ASTM A 213ASTM A 335 CODE CASE2327ASME SA-213ASME SA-335CODE CASE2180-2化学成分C0.08-0.120.07-0.130.09-0.130.07-0.14Mn0.30-0.600.30-0.600.30-0.60w 0.70Pw 0.020w 0.020w 0.020

17、w 0.020Sw 0.010w 0.010w 0.010w 0.010Si0.20-0.50w 0.500.10-0.50w 0.50Cr8.00-9.508.50-9.508.5-9.510.00-12.50Mo0.85-1.050.30-0.600.90-1.100.25-0.60V0.18-0.250.15-0.250.18-0.250.15-0.30W1.50-2.000.90-1.101.50-2.50Nb0.06-0.100.04-0.090.060-0.1000.04-0.10B0.001-0.0060.0003-0.006w 0.005N0.030-0.0700.030-0.

18、0700.040-0.0900.040-0.100Niw 0.40w 0.40w 0.40w 0.50Alw 0.040w 0.040w 0.040w 0.040Cu0.30-1.70力学性能抗拉强度Rmksi (MPa) 85(585) 90 90 90屈服强度Rp0.2 ksi(MPa) 60(415) 64 64 58伸长率A 5,50mm, % 20 20 20 20硬度w 250HB(265HV)(25HRC)w 250HB(25HRC)w 238HB(99.5HRB)w 250HB(25HRC)表4铁素体钢管的许用应力金属温度不超过 F许用应力值(ksi )T91/P91T92/P

19、92T911/P911T122/P122-20 10024.325.725.725.720024.325.725.725.730024.325.325.125.040024.224.524.124.250024.123.823.623.760023.723.223.223.165023.422.823.022.970022.922.422.722.575022.221.922.322.180021.321.421.721.685020.320.821.021.190019.120.120.120.395017.819.219.019.5100016.318.317.718.5105014.0(

20、12.9)17.2(16.6)14.916.8110010.3(9.6)13.6(13.0)11.412.911507.010.2(9.6)6.79.312004.36.9(-)6.2(1) T92/P92括号中的数据是锻件和锻制公称管的许用应力，没有括号的数据是管子和公称管的许用应力。T91/P92括号中的数据适用于外径大于3in的管子(2) T92/P92、T122/P122高于1150 T适用于最大外径限制为3.5in的管子。(3) T91/P91 的许用应力摘自 ASME Section II-D 篇；(4) T92/P92、T911/P911 和 T122/P122 的许用应力摘自

21、ASME规范案例(CODE CAS)图2几种铁素体钢管的许用应力比较图超超临界锅炉受压件材料的焊接工艺海门电厂1000MW超超临界锅炉在屏式过热器、高温再热器和高温过热器中采用高 温强韧性和抗热腐蚀性更好的细晶粒奥氏体不锈钢ASME-Code-Case2328日本住友金属工业株式会社牌号为SUPER304HH和新型奥氏体不锈钢HR3C在其它部件中使用亚临界 锅炉中常用的碳钢(SA210C、低合金耐热钢(SA-335P92 SA-213T12, SA-213T22 SA-335P12,SA-335P22，SA-335P91，SA-213T91)。1 新型材料焊接工艺介绍(1) SUPER304的

22、焊接SUPER304H0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N、即 ASME-Code-Case232是日本住友金属工 业株式会社研制开发的新型奥氏体不锈钢管。 由于加入了阻止奥氏体晶粒长大的 Cu、Nb、 N等元素，使 SUPER304r具有较细的晶粒尺寸，其许用应力值比ASME法规材料SA-213TP347H高 20%，具有较高的高温强度，其韧性与 SA-213TP347H相当，焊接性能 良好。住友金属工业株式会社研制开发了化学成分和各项性能与 SUPER304相匹配的焊 接材料# T-304H焊丝和# 304H焊条。(2) CODE CASE211的焊接CODE CASE21(152

23、5Cr-20Ni-Nb-N 、是日本住友金属工业株式会社研制开发的新型 奥氏体不锈钢管，CODE CASE211具有较高的高温强度，较好的微观组织稳定性及耐蒸 汽腐蚀、耐热腐蚀性能，并具有良好的焊接性能。#T-HR3C是化学成分和机械性能与HR3C相匹配的焊接材料。2其他材料的焊接( 1)大口径管的焊接大口径管的环缝一般采用 TIG+SMAW+SAW组合焊接工艺方法。焊接时采用与管材 合金成分、机械性能相匹配的焊接材料。a. SA-106CSA-106C 用于省煤器和水冷壁入口集箱，由于碳的强化，标准抗拉强度下限485Mpa集箱环缝焊接方法采用 TIG+SMAW+SAW组合工艺。当壁厚小于 2

24、5伽时， 不需焊前预热；壁厚为2575伽时，焊前预热100C ;壁厚大于75伽时，预热150C。 焊后热处理的加热温度一般为 600650Eo而壁厚小于20伽时，焊后可不进行热处 理。b. SA-335P12SA-335P12是合金系为1Cr 0.5Mo低合金耐热无缝钢管。该钢具有良好的可焊 性，当壁厚15伽时，焊前要预热至150200E，壁厚10伽的焊件，焊后要进行 660690C的消除应力热处理。C.SA-335P22SA-335P22属于2.25Cr-1Mo型钢材，具有较高的热强性。该钢有一定的冷裂和 淬硬倾向，因此必须采取焊前预热、控制层间温度、焊后后热、消氢及热处理等工 艺措施。焊前

25、预热温度200250r，焊后热处理温度700740Eod. SA-335P91SA335P91是马氏体型耐热钢，焊接时具有明显的冷裂倾向。通过大量的工艺试 验研究及工艺评定，P91大口径管已经成功的用于锅炉过热器和再热器集箱产品的制 造。大口径P91管的焊接采用了 TIG+SMAW+SA的组合焊接工艺。TIG焊打底时，背 面应采用氩气保护，实现单面焊双面成型。焊接材料选用日本神钢手工氩弧焊填充 丝TGS-9cb CM-96B9旱条，US-9CB/PF-200S埋弧焊焊丝-焊剂进行焊接，获得了 综合力学性能良好的焊接接头。为了防止冷裂纹的产生，焊条电弧焊和埋弧自动焊焊前焊件预热温度应250E，手

26、工氩弧焊焊件的预热温度为150E o焊接时最高层间温度控制在 350 为了提高接头的力学性能，在焊接时采用小的焊接线能量和多层多道焊。焊接 工作结束后，从焊接预热温度缓慢冷却到80 E 100E，使焊缝金属转变成马氏体后， 加热到350400C，保温2小时进行后热处理。焊后通过 760 15E的热处理，焊接 接头的综合力学性能良好。e. SA-335P92P92是在P91合金成份的基础上添加 W和少量B来实现，W起固溶强化作用，能有效降低MsG碳化物长大的速度，少量B起到多元强化作用，提高晶界的高温强度。预热温度：M-GTAW150E，SMAW 200E焊接规范：（以神钢材料为例）焊接方法焊接

27、材料焊材规格焊接电流电弧电压GTAWTGS-12CRS 2.4mm100-120A11-14VSMAWCR-12S 3.2mm80-120A22-24V 4.0mm140-160A24-26VSAWUS-12CRS/PF200S 2.4mm350-400A30-36V首层根部焊道采用 M-GTAV工艺焊接，然后用SMAV工艺过渡并采用埋弧自动焊填充并盖面。电流极性：直流反接焊条烘干温度：300-350 C/ 1h焊接过程保持预热温度，注意控制层间温度：w 300C采用短弧焊接，焊接过程中严格控制热输入，收弧时注意填满弧坑。摆动焊接 的宽度不得超过电极直径的 2.5 倍。保护气体：氩弧焊，Ar气体流量15-20L/min ,背面保护气体为 Ar，气体流量 10-20L/min ，根部充氩保持至少焊接三层以上。焊后热处理：热处理温度740-760 C,热处理保温时间为1h/linch (25.4mm), 升降温速度100-150