高參數(shù)火電機組用耐熱鋼發(fā)展現(xiàn)狀(張兵)

1、陜西電力科學研究院材料所 張 兵 高參數(shù)火電機組用耐熱高參數(shù)火電機組用耐熱 鋼發(fā)展現(xiàn)狀鋼發(fā)展現(xiàn)狀 SXEPRISXEPRI 主要內容 1、火電廠高溫部件用鋼的歷史回顧 2、耐熱鋼發(fā)展的技術路線 3、新型耐熱鋼的應用 4、700級蒸汽參數(shù)合金材料簡介 5、結束語 1火電廠高溫部件用鋼的歷史回顧 1.1 五十年代中期前 我國火電廠均為中溫中壓和低溫低壓機組，其蒸汽 參數(shù)均不超過450、3.8MPa。鍋爐受熱面及主蒸汽管道 用鋼為10 號或20 號低碳優(yōu)質碳素鋼 1.2 五十年后期年至六十年代末 發(fā)展了12MW、25MW、50MW以及100MW無中間再 熱高溫高壓機組，機組的主蒸汽參數(shù)T=510、5

2、40、 P=9.8MPa。主蒸汽管道用鋼為：用于510的主蒸汽管道 選用12CrMo 和15CrMo 鋼；用于540的主蒸汽管道選用 12Cr1MoV 鋼。 SXEPRISXEPRI SXEPRISXEPRI 1.3 六十年代末年至七十年代年末 發(fā)展了超高壓中間再熱機組125MW、200MW 和亞 臨界300MW 火電機組，機組主蒸汽參數(shù)T=540、 555、P=16.7MPa。主蒸汽管道材料10CrMo910 、 X20CrMoWV121(F11)或X20CrMoV121 (F12) ， 鋼。 1.4 七十 年代末至八十 年代末 引進美國亞臨界參數(shù)T=540/540、P=18.2MPa 的3

3、00MW 和600MW火電機組。主蒸汽管道和再熱蒸汽 管道熱段均選用A335P22(10CrMo910）鋼。 1.5 九十年代 從俄羅斯引進了10 套一般超臨界機組和6 套亞臨 界供熱機組，超臨界機組參數(shù)T=545/545、 P=25.2MPa，其主蒸汽管道均選用15Cr1Mo1V鋼。 SXEPRISXEPRI 1.6 九十年代后期 原電力部規(guī)劃設計總院管道小組提 出“關于我國火電廠主蒸汽管道采用 P91 鋼的建議”，其后建造的的國產 300MW、600MW級亞臨界、超臨界機組 主蒸汽管道均采用A335P91 鋼。 1.7 2004 年我國開始建設超超臨界600MW和 1000MW機組。 20

4、06 年11 月28 日華能玉環(huán)電廠1號機組 （1000MW 超超臨界）投入運行，12 月4日華電鄒 縣電廠7號機組（1000MW 超超臨界）投入運行， 標志著中國電力正式進入超超臨界時代。 上述機組均采用引進國產設備，其蒸汽參數(shù)為： 主蒸汽/再熱蒸汽溫度為600/600，主蒸汽出口 壓力為26.5MPa。主蒸汽管道選用了可滿足該參數(shù) 的A335P92 鋼；鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器部件 大量采用A213T91、T92、T122等新型體素體耐熱 鋼以及Super304H 和HR3C等新型奧氏體體耐熱鋼。 SXEPRISXEPRI SXEPRISXEPRI 圖圖1 1 中國火電機組蒸汽參數(shù)發(fā)展趨

5、勢中國火電機組蒸汽參數(shù)發(fā)展趨勢 SXEPRISXEPRI 為了適應超超臨界機組的發(fā)展需求， 美國、日本、歐洲等發(fā)達國家，經過 多年的研究，開發(fā)了2.25%Cr 系列， 9% -12%Cr系列及新型奧氏體系列等新 鋼種，并納入到美國材料試驗協(xié)會 ASTM 標準中。 在已建成和正在建設的我國 1000MW 超超臨界機組中，該類新型管 材所占比例達到60%左右。 SXEPRISXEPRI 2 2、耐熱鋼發(fā)展的技術路線 2.1耐熱鋼的種類 耐熱鋼通常分為體素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼 體素體（Ferrite）耐熱鋼： 以原子排列為體心立方結構的體素體為基體的熱強鋼 優(yōu)點： 高的導熱率，低的線膨脹系數(shù)，具有

6、鐵磁性便于 進行無損檢測，應力腐蝕敏感性弱，工藝性能好，制 造成本較低。 缺點： 抗高溫腐蝕性能力較差，在較高溫度下工作時組 織穩(wěn)定性差，600以上服役時的蠕變斷裂強度較低且 隨溫度的升高下降幅度大。 SXEPRISXEPRI 奧氏體（Austenite）耐熱鋼： 以原子排列為面心立方結構的奧氏體為基體 的熱強鋼。 優(yōu)點： 耐高溫腐蝕性較強，在較高溫度下工作時組 織穩(wěn)定性好，600以上服役時的蠕變斷裂強度 較高。 缺點： 低的導熱率，高的線膨脹系數(shù)，工藝性能 差，焊接接頭易產生早期失效，應力腐蝕敏感 性強，制造成本高。 2.2 耐熱鋼的性能要求 蠕變斷裂強度（高溫強度、持久強度） 材料的蠕變斷

7、裂強度決定了其高溫服役狀態(tài)下的許用應 力，是保證高溫部件運行可靠性的重要性能指標。 抗高溫腐蝕性能 高溫腐蝕又稱煤灰腐蝕、煙氣側腐蝕，是指金屬在高溫 環(huán)境中和氧或氧化物發(fā)生化學反應轉變?yōu)榻饘傺趸锏倪^程。 高溫腐蝕是影響鍋爐受熱面管壽命的主要因素。 抗蒸汽氧化性能 蒸汽側氧化帶來的主要問題是氧化層剝落造成的管路堵 塞超溫失效以及顆粒物對汽輪機部件的損傷。 SXEPRISXEPRI SXEPRISXEPRI 抗熱疲勞、蠕變疲勞性能 熱疲勞和蠕變疲勞是導致厚壁高溫部件早期失 效的主要原因之一。 為適應機組負荷頻繁變化的實際工況，必須高 度重視部件材料的抗熱疲勞、蠕變疲勞性能。 工藝性能 金屬材料冷

8、、熱加工成型的難易，決定了其工 程應用的廣泛性。 對于電站用耐熱鋼而言，焊接性能是衡量材料 工藝性能的主要指標。 SXEPRISXEPRI 圖圖2 2 鐵素體耐熱鋼的發(fā)展歷程鐵素體耐熱鋼的發(fā)展歷程 2.3 體素體耐熱鋼的發(fā)展技術路線圖 SXEPRISXEPRI 2.4 奧氏體耐熱鋼的發(fā)展路線 304（18Cr-8Ni ）-304H（H Grade，0.04- 0.1C）-Super304（ 18Cr-8NiCuNbN） 347（18Cr-8NiNb )- 347H（H Grade，0.04- 0.1C）- 347HFG(Heat Treatment) 18Cr-8Ni -316(18Cr-8N

9、iMo) -316H（H Grade，0.04-0.1C） 309(22Cr-12Ni)-310(25Cr-20Ni)- 310NbN(25Cr-20NiNbN、HR3C） SXEPRISXEPRI 3新型耐熱鋼的應用 3.1 耐熱鋼的分類 鐵素體鋼按照微觀組織分類： 珠光體鋼 貝氏體鋼 馬氏體鋼 按照合金含量分類 碳素鋼（20G、25MnG等） 1-2Mo（15MoG、20MoG等） 1Cr-0.5Mo（15CrMoG、12Cr1MoVG等） 2.25Cr-1Mo（10CrMo910、T/P22、T/P23等） 9Cr-1Mo（T/P9、T/P91等） 9Cr-0.5Mo-W（E911、NF

10、616、T/P92 等） 12Cr-0.5Mo-W (TB12、NF12) 12Cr-1Mo（F12，HCM12） 12Cr-Mo-W（F11、HCM12、T/P122、 SAVE12) SXEPRISXEPRI 奧氏體鋼按照穩(wěn)定化組織分類： 非穩(wěn)定化不銹鋼 穩(wěn)定化不銹鋼 欠穩(wěn)定化 按照合金含量分類 18-8型 25-20型、高Cr型 SXEPRISXEPRI SXEPRISXEPRI 圖圖3 3 9%Cr 9%Cr 耐熱鋼耐熱鋼650650持久強度持久強度 SXEPRISXEPRI 3.2 9-12%Cr 3.2 9-12%Cr新型體素體耐熱鋼的強韌化機理新型體素體耐熱鋼的強韌化機理 提高C

11、r含量，在鋼表面形成薄而致密且 穩(wěn)定又具有附著力的氧化腐蝕產物，阻止運 行氣氛對鋼表面的進一步化學作用，從而提 高鋼的抗氧化腐蝕能力。 固溶強化，決定高熱強韌性的主要因素， 是各組成相的原子間結合鍵力。增大高溫環(huán) 境原子間結合鍵力的有效方是采用Cr、Mo元 素進行置換固溶強化。 沉淀強化和彌散強化（圖4），在高溫回 火時產生碳化物的沉淀與析出，增大馬氏體 板條基體的碳固溶飽和量，阻止位錯運動， 提高鋼的強度。 SXEPRISXEPRI 板條馬氏體強韌化（圖5），采用了低C 實現(xiàn)板條馬氏體，保證了馬氏體板條中只發(fā)生 碳化物的析出和馬氏體板條基體的回復過程， 將板條馬氏體的組織結構保存到了高溫，提

12、高 了鋼的熱強性，并使其能在高溫環(huán)境中長期 （10 萬h 以上）保持熱穩(wěn)定性 亞穩(wěn)態(tài)位錯網的形成（圖6），高溫回 復時所形成的位錯網絡結構，它們的存在，穩(wěn) 定了馬氏體板條中的亞晶塊結構，這樣的位錯 組態(tài)不僅具有強化效應，而且具有韌化效應。 協(xié)調配合的復合強化，使各不同類別的 合金元素實現(xiàn)自身的功能，并且相互作用以產 生強于各元素單獨合金化的功能效果，形成各 元素間功能相互補充和增強的“協(xié)同效應”。 SXEPRISXEPRI 圖4 P91鋼組織中M23C6和MC型碳化物 SXEPRISXEPRI 圖5 馬氏體板條的TEM照片 SXEPRISXEPRI 圖6 馬氏體板條內的位錯網絡 SXEPRIS

13、XEPRI 3.3 9-12%Cr耐熱鋼部件在制造安裝階段存在的問題 3.3.1 原材制造中存在的問題 600WM超臨界機組后屏過熱器T91鋼管表面裂紋 圖7 T91過熱器管表面制造裂紋 SXEPRISXEPRI 圖8 T91過熱器管制造裂紋微觀形貌 SXEPRISXEPRI 宏觀觀察，試樣外表面存在沿縱向分布的宏觀裂 紋（圖7），從取樣端面觀察其中一條裂紋（1號裂紋） 深度達3mm。 裂紋微觀形貌顯示（圖8），其尖端圓鈍，有明 顯分叉，且裂紋兩側具有明顯的脫碳層。 結果分析 取樣管表面裂紋深度已超過總壁厚的1/3，危害 性極大。 取樣管表面裂紋為管材扎制或熱處理過程中的制 造裂紋。 結論 該

14、批國產T91鋼管的生產、加工過程工藝控制較 差，產品出廠檢驗不嚴格。 SXEPRISXEPRI 華電某發(fā)電廠300WM亞臨界機組第四點火后，主蒸 汽管道突然發(fā)生縱向爆裂，造成人員傷亡事故，此時 主蒸汽管道的工作壓力為13.36MPa，溫度483。 圖9 P91主蒸汽管道爆口宏觀形貌 SXEPRISXEPRI 圖10 P91主蒸汽管道爆口發(fā)源處宏觀形貌 SXEPRISXEPRI 圖11 P91主蒸汽管道爆口SEM照片 SXEPRISXEPRI 宏觀觀察，斷口呈放射狀擴展，斷裂源位于弧線 的中心，圖中這樣的弧線共有兩條，它們都是以斷裂 源為中心的。斷口上的這種弧線的出現(xiàn)表示材料的斷 裂擴展速度有過

15、明顯的變化。（圖10） 爆管內壁干凈、光滑，無明顯的表面缺陷、沉積 物以及腐蝕跡象，肉眼可見到許多相互平行的砂輪打 磨痕跡，但放大100倍的掃描電鏡檢查發(fā)現(xiàn)長度為 0.10.5mm的大量的顯微裂紋，斷口越粗糙，內壁對 應的顯微裂紋則越多。（圖11） 爆管的化學成分、常溫力學性能，光學顯微組織 等指標均未見明顯異常。 SXEPRISXEPRI 開裂原因分析： 主汽管斷裂源內壁存在小裂紋，還裹有徑向剖面 尺寸為0.1mm0.2mm的夾渣顆粒，而包圍該顆粒的 鋼管材料本身出現(xiàn)了較多顯微裂紋，這些裂紋的尖 端一般很尖銳，會引起較大的應力集中。一旦主汽 管受力，在工作應力作用下，就會較容易地從斷裂 源發(fā)

16、生肉眼可見的縱向開裂，也就是萌生宏觀裂紋， 成為爆裂源。其后以斷裂源為中心，首先在鋼管縱 剖面上呈放射狀擴展，大約擴展23厘米后變?yōu)橹饕?沿內壁向兩側縱向擴展，同時沿徑向擴展，只是徑 向擴展速度比縱向擴展慢。當徑向擴展達到大約2.5 厘米時，在當時的工作壓力作用下，主汽管變?yōu)橹?要沿徑向開裂而爆開。 SXEPRISXEPRI 事后查明，該批鋼管為國內某企業(yè)偽造相關技術 和商務資料，假冒進口鋼管，提供給建設單位。相關 檢測機構未能辨別真?zhèn)巍?3.3.2 部件制造中存在的問題 華電某發(fā)電廠2660WM亞臨界機組再熱熱段管道 用材為A335P91，在安裝前檢測中發(fā)現(xiàn)部分熱壓彎頭 光學顯微組織存在原奧

17、氏體晶粒粗大、混晶組織等組 織不良現(xiàn)象。 SXEPRISXEPRI 圖12 P91鋼管正常顯微組織照片 SXEPRISXEPRI 圖13 再熱熱段熱壓彎頭粗大組織照片 SXEPRISXEPRI 圖14 再熱熱段熱壓彎頭混晶組織照片 SXEPRISXEPRI P91 鋼管的典型金相組織為單一回火馬氏體組織。 如果熱處理工藝不當，會形成不符合標準的混晶和粗 晶異常組織?；炀Ш痛志ЫM織均為不良組織，其存在 會顯著降低鋼管的高溫強度和高溫持久（蠕變）強度， 從而影響其服役壽命和安全性。 國華電力某發(fā)電公司，主蒸汽管道水壓堵閥過 渡段材質為SA182F91，在安裝前檢測中發(fā)現(xiàn)其光學顯 微組織為塊狀鐵素體

18、+索氏體組織。 SXEPRISXEPRI 圖15 SA182F91正常顯微組織照片 SXEPRISXEPRI 圖16 過渡段異常顯微組織照片 SXEPRISXEPRI 塊狀鐵素體+索氏體組織的存在，使得F91鋼失去 了馬氏體強化的機制，同時固溶、沉淀強化和彌散強 化作用大為減弱，其結果必然嚴重影響該部件的高溫 強度及高溫持久強度（主蒸汽溫度為540），進而大 大降低其使用壽命。 經查明，導致堵閥過渡顯微組織不合格的主要原 因是制造廠在最終熱處理時未進行正火處理。 有研究表明，當T/P/F91類鋼組織為塊狀鐵素體 類的組織形態(tài)時，其高溫持久強度甚至低于第一代 9Cr-1Mo（A335P9）類鋼的

19、持久強度。 SXEPRISXEPRI 3.3.3 設備安裝中存在的問題 焊接 焊接質量是電力高溫承壓設備在安裝過程中的重要 控制環(huán)節(jié)。 9-12%Cr 馬氏體耐熱鋼的的焊接特點 上世紀70 年代初應用的F11、F12 馬氏體耐熱鋼與 改進型P91、P92、P122 馬氏體耐熱鋼不同，前者碳當 量比較高，焊后狀態(tài)硬度比較高，容易產生焊接冷裂 紋，必須采用比較高的焊接預熱溫度。高鉻馬氏體耐 熱鋼對氫脆和焊接應力特別敏感，容易產生氫致焊接 冷裂紋，特別容易發(fā)生異種耐熱鋼低匹配焊接熱影響 區(qū)冷裂紋和低硫純凈鋼低匹配焊接熱影響區(qū)冷裂紋。 SXEPRISXEPRI 改進型9-12%Cr 馬氏體耐熱鋼降低了

20、含碳量， 增加微量釩、鈮和氮元素，提高了蠕變斷裂強度， 同時也改善了焊接性，降低了焊接預熱溫度。但是， 在焊接生產過程中，仍然發(fā)現(xiàn)有特殊焊接裂紋。 圖16 發(fā)生在焊縫和熔合區(qū)中的、型裂紋 SXEPRISXEPRI 焊前必須預熱至工藝要求的溫度 焊接采用多層多道焊，嚴格控制焊接線能量的 輸入 焊接過程中嚴格控制層間溫度 焊后必須全部轉變馬氏體之后才能進行焊后熱 處理，焊后熱處理應及時進行。 在馬氏體區(qū)焊接，有利于提高焊縫和焊接熱影 響區(qū)的沖擊韌度 高溫停留時間過長或過高的后熱去氫溫度可能 促進回火脆化 對熱應力裂紋敏感 對再熱裂紋不敏感 焊縫沖擊韌度低，時效沖擊韌度低 黃塊馬氏體或細化組織有可能

21、顯著降低接頭使 用壽命 SXEPRISXEPRI 3.3.4 制造、安裝階段的安全監(jiān)督 原材監(jiān)督： 認真復核管道供貨的各類單證（尤其是材質證明、 原產地證明）文件材料、訂貨合同號、艙單、裝箱單 復印件、提單副本及海關報關單復印件、商檢報告副 本等文件材料，包括文件材料本身的真?zhèn)巍?采用表面質量、化學成分、常規(guī)力學性能、無損 檢測、硬度、金相組織檢驗等常規(guī)試驗方法，在必要 時采用SEM、TEM等檢測手段進行評估和鑒別。 成品部件監(jiān)督： 制造過程中的監(jiān)造必不可少，對制造廠的出廠檢 驗報告必須進行認真審查。 對最終產品采用表面質量、光譜分析、無損檢測、 硬度、金相組織檢驗等不破壞方法進行檢驗。 SX

22、EPRISXEPRI 焊接質量監(jiān)督： 焊接人員資質的監(jiān)督，括焊接技術人員、熱處 理人員、焊工、無損探傷人員、質檢員等。保證焊 接施工人員持證上崗。 焊接材料的監(jiān)督，包括復查鋼材和焊接材料材 質證明書，復檢報告等。確保母材和焊材符合相關 標準、規(guī)程的要求。 焊接過程的監(jiān)督，審查焊接工藝評定報告、焊 接及熱處理工藝。對施工過程進行現(xiàn)場監(jiān)督，保證 施工工作按照事先制訂的工藝執(zhí)行。 質量檢驗監(jiān)督，對焊縫進行外觀檢驗，無損檢 測，光譜分析、硬度、金相組織檢驗。各項指標均 應符合符合相關標準、規(guī)程的要求。 SXEPRISXEPRI 3.4 9-12%Cr3.4 9-12%Cr耐熱鋼部件運行后的金屬技術監(jiān)督

23、耐熱鋼部件運行后的金屬技術監(jiān)督 母材早期失效-蠕變斷裂強度、熱處理 組織退化 細晶粒軟化區(qū)、混晶區(qū)、 硬度及沖擊韌度 時效脆化 焊接接頭早期失效 焊接裂紋及- 型裂紋 時效脆化 SXEPRISXEPRI 母材失效案例 神頭二電廠1# 機組（500MW）主蒸汽管道爆破 事故，機組累計運行96282小時，2006年12月12日因 主汽管爆管造成緊急停運。該主汽管設計規(guī)格為 42040mm.材質為捷制CSN417134馬氏體耐熱鋼， 爆管為1500mm的一根直管，爆口位于直管中部下側， 軸向長300mm，周向寬800mm。爆口及周圍管徑膨 脹變形嚴重，管壁明顯減薄。 分析結論： 力學性能試驗結果，強度、沖擊韌性、硬度均低 于捷克CSN417134.5標準要求，材料性能不良。 金相組織不屬于正常供貨狀態(tài)下的運行老化組 織，材料冶金純度不高，夾雜超標，這樣的組織必 然不能保證符合標準要求的力學性能。 SXEPRISXEPRI 圖17 主蒸汽管道爆破現(xiàn)場照片 SXEPRISXEPRI 美國對美國對P91P91集葙環(huán)縫早期失效調查結果：集葙環(huán)縫早期