超超临界机组参数与锅炉用钢材

1、超超临界机组参数与锅炉用钢材1.1.前前 言言 新型钢材的研发和应用是超超临界机新型钢材的研发和应用是超超临界机组开发应用的基础组开发应用的基础 分析研究超超临界机组蒸汽参数和锅分析研究超超临界机组蒸汽参数和锅炉关键部件选用钢材及其经验，对我炉关键部件选用钢材及其经验，对我国超超临界机组的设计、制造和安全国超超临界机组的设计、制造和安全稳定运行有着重要的意义稳定运行有着重要的意义 2. 2. 超超临界锅炉对钢材性能的要求超超临界锅炉对钢材性能的要求 热强度高热强度高 抗高温烟气氧化腐蚀抗高温烟气氧化腐蚀 抗高温汽水介质腐蚀抗高温汽水介质腐蚀 可焊性和工艺性良好可焊性和工艺性良好超超临界锅炉关键

2、部件材料要求与选择 水冷壁水冷壁 高温管道与联箱高温管道与联箱 末级过热器、再末级过热器、再热器热器v高温强度性能高温强度性能v烟气侧的腐蚀性能烟气侧的腐蚀性能v汽水侧的氧化性能汽水侧的氧化性能v制造、加工、热处理制造、加工、热处理、异种材料焊接等工艺、异种材料焊接等工艺性能性能 对钢材性能的要求：对钢材性能的要求：满足部件工作温度的需要满足部件工作温度的需要具有高的持久强度、蠕变强度或抗松弛性具有高的持久强度、蠕变强度或抗松弛性能，金相组织稳定，无常温脆性和长期时能，金相组织稳定，无常温脆性和长期时效脆性效脆性抗蒸汽氧化、烟气腐蚀及应力腐蚀抗蒸汽氧化、烟气腐蚀及应力腐蚀易于冷、热加工易于冷、

3、热加工异钟钢焊接工艺能保证其应有的性能异钟钢焊接工艺能保证其应有的性能相对低的材料价格相对低的材料价格 超超临界锅炉用钢分为两大类：超超临界锅炉用钢分为两大类：铁素体钢（包括珠光体、贝氏体和马氏铁素体钢（包括珠光体、贝氏体和马氏体及其两相钢）体及其两相钢）奥氏体钢奥氏体钢 奥氏体钢比铁素体钢具有更高的热强性，奥氏体钢比铁素体钢具有更高的热强性，但膨胀系数大、导热性能差、抗应力腐但膨胀系数大、导热性能差、抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳（特别是厚壁件）性能也比不上铁素劳（特别是厚壁件）性能也比不上铁素体钢，且成本高体钢，且成本高3. 3. 超超临界锅

4、炉用钢材超超临界锅炉用钢材的发展历程和研发计划的发展历程和研发计划3.1 3.1 发展历程发展历程超临界机组和超超临界机组是超临界机组和超超临界机组是2020世纪世纪5050年代同时开发的年代同时开发的2020世纪世纪5050、6060年代超超临界机组投运后出现了部件损伤年代超超临界机组投运后出现了部件损伤事故事故 美国美国EddystoneEddystone电厂电厂1#1#超超临界锅炉超超临界锅炉-发生奥氏体钢发生奥氏体钢17171414CuMoCuMo过热器管高温腐蚀，过热器管高温腐蚀，316316H H奥氏体钢管因出现裂纹和焊接不良等原因损奥氏体钢管因出现裂纹和焊接不良等原因损坏或爆管，

5、过热器出口集箱、主蒸汽管调节阀和截止阀出现疲劳裂坏或爆管，过热器出口集箱、主蒸汽管调节阀和截止阀出现疲劳裂纹纹 19561956年德国投运的超超临界机组年德国投运的超超临界机组-也出现奥氏体钢制部件损也出现奥氏体钢制部件损伤事故伤事故 8080年代末日本生产的一台年代末日本生产的一台3434MPa/650MPa/650、500MW500MW试验超超临界机试验超超临界机组组-曾出现奥氏体钢高压转子热裂纹等问题曾出现奥氏体钢高压转子热裂纹等问题3.1 3.1 发展历程发展历程 有关的分析报告认为超超临界机组不存在原则性的有关的分析报告认为超超临界机组不存在原则性的设计和制造技术问题，而是对材料技术

6、认识不足，设计和制造技术问题，而是对材料技术认识不足，过分依赖于奥氏体钢，使蒸汽参数在过分依赖于奥氏体钢，使蒸汽参数在24.124.1MPaMPa、538-566538-566停留了停留了2020多年多年 8080年代由于低铬耐热钢和改良型年代由于低铬耐热钢和改良型9 91212CrCr铁素体型铁素体型钢的研制及成功应用，发展了蒸汽参数钢的研制及成功应用，发展了蒸汽参数593593以上的超超以上的超超临界技术，促进超超临界机组的发展，并降低了超超临界临界技术，促进超超临界机组的发展，并降低了超超临界机组锅炉的造价机组锅炉的造价 目前这些新型钢已在欧洲及日本数十个电厂得到应用，目前这些新型钢已在

7、欧洲及日本数十个电厂得到应用，主蒸汽温度已达主蒸汽温度已达610610 3.2 3.2 研发计划研发计划 COST501COST522COST501COST522欧共体开发高效低耗火力发电欧共体开发高效低耗火力发电设备材料的规划设备材料的规划COST501COST501系列和系列和COST522COST522系列系列综合了欧洲综合了欧洲1616个国家个国家7070个组织的试验、制造资料而筛选出来的个组织的试验、制造资料而筛选出来的COST501COST501开发开发9%9%12%12%CrCr钢材系列，已用于生产钢材系列，已用于生产28.5MPa/58058058028.5MPa/580580

8、580超超临界机组，试制超超临界机组，试制30MPa30MPa、580600580600机组机组COST522COST522材料材料作为作为3030MPa/620650MPa/620650机组的目标机组的目标材料材料3.2 3.2 研发计划研发计划 COST501/COST522COST501/COST522各包含若干钢号各包含若干钢号以以X10CrMoVNbN 91X10CrMoVNbN 91（P91P91）为基础发展出为基础发展出CTCT（G GX12CrMoWVNbN 1011X12CrMoWVNbN 1011）钢，蠕变试验已大于钢，蠕变试验已大于6000060000小时小时 以以X7C

9、rCoMoVNb 116X7CrCoMoVNb 116（FV535FV535）为基础发展出为基础发展出CB2CB2钢，钢，蠕变试验已大于蠕变试验已大于3000030000小时小时在在CB2CB2钢基础上添加钢基础上添加W W、B B，使钢的热强性显著提高使钢的热强性显著提高对有希望作为铸件材料的钢对有希望作为铸件材料的钢CB2CB2、CD2CD2等进行了等进行了600600和和650650的热强性能试验的热强性能试验 已完成生产试验发展的锻件用钢命名为已完成生产试验发展的锻件用钢命名为FBFB系列，以及超系列，以及超低碳的低碳的VNIVNI（0.03%C,0.03%C,含含W W无无B B）钢

10、钢3.2 3.2 研发计划研发计划 9%9%12%12%CrCr钢将用于制造参数为钢将用于制造参数为610610，3030MPaMPa的设备，的设备，其温度参数有望提高到其温度参数有望提高到630630 COST501COST501系列和系列和COST522COST522系列新开发的材料，机械性能系列新开发的材料，机械性能重现性好，已取得比较成熟使用经验重现性好，已取得比较成熟使用经验 今后将把今后将把COST522COST522的铁素体马氏体钢种用于的铁素体马氏体钢种用于650650火火力发电设备力发电设备4. 4. 超超临界机组蒸汽参数超超临界机组蒸汽参数和锅炉用钢分析和锅炉用钢分析4.1

11、 4.1 超超临界机组蒸汽参数和锅炉用超超临界机组蒸汽参数和锅炉用钢钢欧美日等超临界及超超临界机组锅炉用钢欧美日等超临界及超超临界机组锅炉用钢基本上处于同一档次，只是同一钢种各国基本上处于同一档次，只是同一钢种各国牌号表达方式不同牌号表达方式不同表表1 超临界及超超临界锅炉关键部件工作温度与所用钢材超临界及超超临界锅炉关键部件工作温度与所用钢材 5 0 05 0 05 5 05 5 0580580600600625625650650700700过过热热器器 1212XMXMT22T2210CrMo9110CrMo910 0T91T91T91T911X18H12T1X18H12TTP304HTP

12、304HTP347HTP347H12X11B2M12X11B2MT91T91TP304HTP304HTP347HTP347HTP316HTP316HSuper304Super304H HSuper304Super304H HTP347HFGTP347HFGTP304HTP304H复合管复合管复合管复合管TP347HTP347HSUS347HTSUS347HTB B0X18H120X18H12再再热热器器 1212X1MX1MT22T2210CrMo9110CrMo910 0T 9T 91 11X18H12TTP304HTP304HTP347HTP347H10CrMo9110CrMo910 0T

13、91T911X18H12T1X18H12TTP304HTP304HTP316HTP316HTP347HTP347HSuper304Super304H HSUS310JISUS310JITBTBSuper304Super304H HTP347HFGTP347HFGT91T91复合管复合管TP304HTP304H复合管复合管TP347HTP347H0X18H120X18H12 500500550550580580600600625625650650700700集集箱、箱、导导管管1515XMXMWB36WB3613CrMo413CrMo44 4P12P121212X1MX1MP22P2210CrM

14、o9110CrMo910 0P91P91P91P91P91P91P92P92P911P911HCM12HCM12A AP92P92P911P911HCM12HCM12A ANF12NF12SAVE1SAVE12 2 水水冷冷壁壁1313CrMo4CrMo44 415XM15XMT12T121212X1MX1MT23T23T24T24 表表1 超临界及超超临界锅炉关键部件工作温度与所用钢材超临界及超超临界锅炉关键部件工作温度与所用钢材 联箱与管道 水冷壁选用强度更高的材料可以使壁厚减薄选用强度更高的材料可以使壁厚减薄提高机组启停灵活性提高机组启停灵活性4.2 4.2 超超临界机组锅炉用钢分析超超

15、临界机组锅炉用钢分析（1 1）低铬耐热钢）低铬耐热钢 1.25 1.25Cr-0.5%Mo(SA213 T11)Cr-0.5%Mo(SA213 T11) 2.25Cr-1Mo(SA213 T22/P22) 2.25Cr-1Mo(SA213 T22/P22) 1Cr-Mo-V(12Cr1MoV) 1Cr-Mo-V(12Cr1MoV) 9 91212CrCr系的系的Cr-MoCr-Mo Cr-Mo-V Cr-Mo-V钢钢( (法国法国EM12EM12、德国德国X20X20、瑞典瑞典HT9HT9、日本日本HCM9MHCM9M、美国美国SA213 T9SA213 T9等等) ) 其允许主汽温度为其允许

16、主汽温度为538538566566（2 2）改良型改良型9 91212CrCr铁素体马氏体钢铁素体马氏体钢9 9Cr-1MoCr-1Mo（SA335SA335，T91/P91T91/P91）NF616NF616HCM12AHCM12ATB9TB9TB12TB12等等一般用于一般用于566566593593的蒸汽温度范围，允许的蒸汽温度范围，允许主汽温度主汽温度610610，再热汽温度，再热汽温度625625；壁温：锅炉；壁温：锅炉625625650650，汽机：，汽机：600600620620（2 2）改良型改良型9 91212CrCr铁素体马氏体钢铁素体马氏体钢 9 9Cr-1MoCr-1M

17、o钢钢6060年代起应用年代起应用 8080年代美国在此基础上开发出年代美国在此基础上开发出T91T91钢，用于制造锅炉过热器、再钢，用于制造锅炉过热器、再热器并投入运行热器并投入运行同钢种大口径管牌号为同钢种大口径管牌号为P91P91，用于制造集箱和管道用于制造集箱和管道 日本和欧洲对日本和欧洲对T91T91钢又加以改良，使其具有更高的蠕变断裂强度、钢又加以改良，使其具有更高的蠕变断裂强度、断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性和可焊性断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性和可焊性 改进型的改进型的T91T91钢，提高了使用温度，可用于钢，提高了使用温度，可用于600600650650；由于其强；由于其强度

18、的提高，可减少管壁厚度。其综合性能使度的提高，可减少管壁厚度。其综合性能使T91T91和和P91P91钢成为主蒸汽温钢成为主蒸汽温度由度由566566过渡至过渡至600600的关键材料，可部份替代的关键材料，可部份替代TP304HTP304H制造过热器制造过热器与再热器管与再热器管, ,有明显的经济效益有明显的经济效益 NF616NF616是改良型钢种之一，具有更高的高温强度，并具备是改良型钢种之一，具有更高的高温强度，并具备T91T91的的特性特性（2 2）改良型改良型9 91212CrCr铁素体马氏体钢铁素体马氏体钢 HCM12AHCM12A 是比较成功的改良型是比较成功的改良型12%12%CrCr钢之一钢之一具有高的持久强度，具有高的持久强度，600600的许用应力是的许用应力是T91/P91T91/P91钢的钢的1.31.3倍倍比奥氏体钢导热性高，膨胀系数小，可以减轻热疲劳比奥氏体钢导热性高，膨胀系数小，可以减轻热疲劳损伤损伤 具有双相组织，焊接与加工性能都较好，可用作受热面管具有双相组织，焊接与加工性能都较好，可用作受热面管和大口径管和大口径管钢钢C CSiSiMnMnNiNiCrCrMoMoW W