超超臨界機(jī)組鍋爐選材分析實(shí)用教案

1、1超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐選材(xun ci)簡介提高火力發(fā)電機(jī)組參數(shù)，是提高機(jī)組效率和節(jié)能環(huán)保(hunbo)的重要途徑。隨著鍋爐壓力的提高，水的飽和溫度也相應(yīng)提高，汽化潛熱卻相應(yīng)減少，飽和水和飽和蒸汽的比重差也隨之減少。當(dāng)壓力達(dá)到22.12MPa時(shí)，汽化潛熱等于零，汽水比重差也定于零。水在這個(gè)壓力下，加熱至374時(shí)即被全部汽化。這個(gè)壓力稱為臨界壓力。超臨界壓力時(shí)的情況與臨界壓力時(shí)的情況相同，有水變成蒸汽是連續(xù)單向的。典型的超臨界鍋爐(gul)蒸汽參數(shù)一般為23.5MPa 26.54MPa、 538 543 / 538 566 。一般認(rèn)為當(dāng)壓力超過28MPa、溫度超過600 以上時(shí)，稱為超超臨

2、界鍋爐。第1頁/共24頁第一頁，共25頁。2傳統(tǒng)的低合金鐵素體類耐熱鋼，用于亞臨界機(jī)組(jz)，幾乎已經(jīng)達(dá)到了它的使用極限。因此熱強(qiáng)剛性能的提高和發(fā)展，成為建設(shè)超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)的關(guān)鍵技術(shù)之一。超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介為適應(yīng)火力發(fā)電機(jī)組向超臨界/超超臨界的發(fā)展，提高材料的高溫性能，近20多年來，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家在開發(fā)(kif)電站新材料技術(shù)方面進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，以進(jìn)一步提高鐵素體鋼的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和提高奧氏體鋼的高溫強(qiáng)度、抗氧化抗腐蝕性、適用性和經(jīng)濟(jì)性等為主要研究方向，充分利用多元強(qiáng)化原理，研究開發(fā)(kif)了一批性能優(yōu)異的新型鋼種，應(yīng)用于超臨界/超超臨界機(jī)

3、組，并漸成為主力鋼種。第2頁/共24頁第二頁，共25頁。31超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐(gul)選材簡介 1、常用新型(xnxng)鐵素體和奧氏體鍋爐用鋼1.1、新型鐵素體鍋爐用鋼 新型鐵素體鍋爐用耐熱鋼主要(zhyo)分為2%Cr、 9%Cr、 12%Cr三大系列。 2%Cr系列 （1）2.2.5Cr1Mo（T22/P22）鋼在上世紀(jì)70年代已得到了廣泛的應(yīng)用。 （2）2.2.5Cr1.6WVNb（HCM2S/T23）鋼：在T22/P22基礎(chǔ)上，以W、V、Nb取代Mo，并降低C含量而得到得到的新型鋼種，已經(jīng)列入ASME規(guī)范CASE2199。 HCM2S（T23）比T22具有較高的蠕變抗力和性價(jià)

4、比，具有優(yōu)良的焊接性能，應(yīng)作為水冷壁，低溫過熱器等部件的首選材料。第3頁/共24頁第三頁，共25頁。41超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐選材(xun ci)簡介 9%Cr系列 （1）T91/P91(9Cr1MoVNb）鋼：T91/P91鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性(rn xn)、抗熱疲勞性能，作為620 以下的過熱器、再熱器、聯(lián)箱和主蒸汽管道用鋼，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。 （2）9Cr2W（NF616或T92/P92）鋼：在T91/P91基礎(chǔ)上，以W取代了部分Mo而得到的新鋼種，已經(jīng)列入ASME規(guī)范CASE2179。 比T91/P91具有更高的需用應(yīng)力，可用620 以下的過熱器、再熱器、聯(lián)箱和主蒸汽

5、管道。 （3）E911鋼：是一種歐洲牌號，其成分和性能與NF616（或T92）相近。第4頁/共24頁第四頁，共25頁。51超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介 12%Cr系列 一般當(dāng)溫度在620 以上時(shí)， 9%Cr鋼抗氧化性能不能滿足要求，需使用12%Cr鋼或不銹鋼。 （1）X20CrMoV121和X20CrMoWV121（HT91）鋼：在歐洲曾得到大量的應(yīng)用，但是其焊接性能較差。 （2）HCM12（ 12Cr1Mo1WVNb ）鋼：在HT91的基礎(chǔ)上通過降碳以提高焊接性能，以及W、V、Nb的合金化而形成的，是一種鐵素體/馬氏體雙相鋼。具有良好的焊接性能、高溫強(qiáng)度和抗氧化腐蝕性能，適用于6

6、00 以下的鍋爐部件(bjin)。 （3）12Cr2W（ HCM12 A或T122/P122）鋼：在HCM12的基礎(chǔ)上用W取代更多的Mo，并添加1%的Cu而得到的新型鋼種，已經(jīng)列入ASME規(guī)范CASE2180。其蠕變強(qiáng)度進(jìn)一步提高，在600 時(shí)需用應(yīng)力比T91提高約25%，并因?yàn)橄髓F素體而韌性得到提高。該鋼種特別適用于適用于620 以下的厚壁部件(bjin)。第5頁/共24頁第五頁，共25頁。61超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐(gul)選材簡介（4）TB12（12Cr0.5Mo1.8WVNb）鋼：在T92基礎(chǔ)上，通過增加Cr含量以進(jìn)一步提高抗高溫蒸汽氧化，調(diào)整固溶強(qiáng)化元素Mo、W等元素含量以改善

7、提高綜合性能而得到的新型(xnxng)鋼種。 （5）NF12鋼和SAVE12鋼：正在開發(fā)中的耐熱鋼，通過Ta、Nb等合金化，使600的強(qiáng)度提高到了650，并已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室得到驗(yàn)證。1.2新型奧氏體鍋爐用鋼 新型奧氏體鍋爐用不銹鋼主要分為18% Cr、20%25% Cr兩大系列。18% Cr系列（1）TP304H、TP312H、TP316H鋼：一般高溫蒸汽(zhn q)下被廣泛的使用，尤其是TP304H使用的最為普遍，但其容易敏化。第6頁/共24頁第六頁，共25頁。1超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐(gul)選材簡介（2）TP347H鋼：奧氏體不銹鋼經(jīng)添加微量元素Nb作為穩(wěn)定劑，降低了敏化現(xiàn)象，具有較高的

8、蠕變強(qiáng)度、抗蒸汽(zhn q)氧化、耐煙氣腐蝕性能。這種材料具有較好的可加工性和可焊接性。但是，這種材料的熱塑性遠(yuǎn)低于300系列的不銹鋼，目前在亞臨界超臨界發(fā)電機(jī)組已經(jīng)廣泛被使用。（3）TP347HFG（18Cr10NiCb）鋼：在TP347H的基礎(chǔ)上，通過熱處理使晶粒細(xì)化到8級以上，大大提高了抗氧化能力，對提高過熱器管的穩(wěn)定性起到了重要作用，在許多超臨界/超超臨界機(jī)組上得到了應(yīng)用。已經(jīng)列入ASME規(guī)范CASE2159。第7頁/共24頁第七頁，共25頁。81超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介（4）18Cr-9Ni-3Cu-Cb-N（super304H）鋼：在TP304H的基礎(chǔ)上，通過Cu

9、、Ni、N合金化而得到的一種新型經(jīng)濟(jì)型奧氏體不銹鋼，已經(jīng)列入ASME規(guī)范(gufn)CASE2328。其高溫下的蠕變斷裂強(qiáng)度高于TP347H約20%。該鋼由于細(xì)晶粒而抗氧化性能優(yōu)異，組織穩(wěn)定性好，可焊性優(yōu)于TP347H，并且經(jīng)濟(jì)性高?？捎糜?00-750以下過熱器、再熱器部件，是超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐的主要候選材料。（5）TempaloyA-1（18Cr9NiCuNbN）鋼：在TP304H的基礎(chǔ)上，通過Cu、Ni、N合金化而得到的一種新型經(jīng)濟(jì)型鋼種。第8頁/共24頁第八頁，共25頁。91超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介20% -25%Cr系列 高溫過熱器、再熱器由于鋼管內(nèi)的蒸汽氧化而

10、生成氧化層。隨著熱應(yīng)力的作用，導(dǎo)致氧化層剝離，堆積在管子的彎曲部位，會使管子發(fā)生過熱而爆管，剝離層也會造成汽輪機(jī)翹片的損傷。Cr含量對不銹鋼的蒸汽氧化層有很大的影響，Cr含量越多，氧化成生成越慢。20% -25%Cr系列鋼和高Cr高Ni鋼，蠕變強(qiáng)度高，抗氧化性能好，但是價(jià)格過高限制了其使用。 最新開發(fā)的20% -25%Cr系列鋼，通過奧氏體穩(wěn)定元素N、Cu等取代Ni來降低成本，使其不但具有(jyu)優(yōu)異的抗氧化性能和耐煙氣腐蝕性能，并且還具有(jyu)相對低廉的成本。第9頁/共24頁第九頁，共25頁。（1）25Cr-20Ni-Cb-N（HR3C或TP310 CbN）鋼：改進(jìn)的由Nb和N強(qiáng)化的T

11、P310，具有較高的高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性能，較好的加工性和可焊性，特別(tbi)是具有極其優(yōu)異的抗蒸汽氧化性。已經(jīng)列入ASME規(guī)范CASE2115?？勺鳛槌R界/超超臨界機(jī)組的主要候選材料。（2）NF709（20Cr25NiMoNbTa）鋼以及Tem-paloyA-3（22Cr15NiNbN）鋼：最新開發(fā)的20% -25%Cr系列鋼，通過奧氏體穩(wěn)定元素N、Cu等取代Ni來降低成本，具有優(yōu)異的高溫性能和相對低廉的成本。（3）SAVE25（22.5Cr18.5NiWCuMoNiN）鋼：正在開發(fā)中的新型鋼種。1超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐選材(xun ci)簡介第10頁/共24頁第十頁，共25頁。111超

12、臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介1.3 ASME規(guī)范材料上述眾多新型鐵素體和奧氏體鍋爐用鋼中，有一些已經(jīng)列入ASME規(guī)范（見表1），也較符合我們使用(shyng)材料的習(xí)慣，且大多獲得了廣泛應(yīng)用，商業(yè)化良好。表表1 列入列入ASME規(guī)范的新型鍋爐規(guī)范的新型鍋爐(gul)用材料用材料材料組織類型材料組織類型系列系列ASME規(guī)范規(guī)范牌號牌號最高使用溫度最高使用溫度鐵素體鐵素體2%CrCodeCase2199T23（HCM2S）6489%CrCodeCase2179T92（NF616）64812%CrCodeCase2180T122（HCM12A）648奧氏體奧氏體18%CrCodeCase2

13、159TP347H（細(xì)晶）（細(xì)晶）732CodeCase2328Super304H81520%25%CrCodeCase2115TP310CbN（HR3C）732第11頁/共24頁第十一頁，共25頁。122超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介2 超臨界/超超臨界鍋爐用材選擇 材料高溫性能、主要衡量指標(biāo)有：高溫蠕變強(qiáng)度、熱疲勞、耐腐蝕、以及抗氧化(ynghu)能力。在選用材料上，既要考慮材料的高溫性能，又要考慮材料的工藝性能和綜合經(jīng)濟(jì)性能。鐵素體鋼一般可以用于600以下鍋爐熱交換管，但在620上時(shí)，鐵素體鋼抗高溫?zé)煔飧g和高溫氧化(ynghu)的能力有限，一般選用奧氏體鋼。奧氏體鋼主要用在過

14、熱器/再熱器管的出口段，在這一管段，除了蠕變強(qiáng)度外，抗氧化(ynghu)和煙氣腐蝕成為主要考慮的因素。 新型鐵素體材料的應(yīng)用，使得鐵素體系材料的應(yīng)用極限溫度由原來的600提高到了620左右，可以部分替代了原用于該溫度下的奧氏體系材料。而具有更好的高溫性能、適應(yīng)性好、經(jīng)濟(jì)性高的新型奧氏體材料的應(yīng)用，滿足了更高溫度下的超臨界/超超臨界鍋爐過熱器、再熱器部件的需要。第12頁/共24頁第十二頁，共25頁。132超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐選材(xun ci)簡介2.1水冷壁材料 爐膛水冷壁管的選擇，取決于爐膛內(nèi)最高的熱交換量。在設(shè)計(jì)中，選用管子材料主要為T12、T22、歐洲研制的15Mo3以及我國常用的1

15、5CrMo、12Cr1MoV等材料。這些低合金鐵素體材料具有良好的機(jī)械性能和加工性能，能夠適合水冷壁管排的布置。 在超臨界/超超臨界鍋爐設(shè)計(jì)中，一般來說，T12用于水冷壁，出口溫度最高可以達(dá)到470，因此T12常常被用于低溫(dwn)管排上。在更高的蒸汽條件與更高的水冷壁出口條件下，需要根據(jù)不同的要求選擇不同的材料。例如T22具有高于T12的蠕變斷裂強(qiáng)度，并且具有更高的抗氧化性。近年來，一些新型的鐵素體合金，如T23鋼等，這些材料的蠕變強(qiáng)度有了很大的提高，并且具有非常良好的焊接性能，不需焊前預(yù)熱和焊后熱處理，能夠適用于更高的蒸汽參數(shù)和使用溫度，已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于水冷壁等部件。第13頁/共24頁

16、第十三頁，共25頁。2超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介2.2過熱器和再熱器材料 過熱器和再熱器是鍋爐中工作環(huán)境最為惡劣的部件，面臨高溫氧化、腐蝕，是鍋爐中承受壓力最大、溫度最高的受壓部件，所以也是對材料要求最高的部件。 過熱器和再熱器管子材料，其蠕變強(qiáng)度必須足夠高，在其運(yùn)行的壓力與溫度范圍內(nèi)，有足夠的安全裕度，同時(shí)還要考慮管子對蒸汽側(cè)和煙氣側(cè)的抗氧化與抗腐蝕的要求。雖然Cr-Ni奧氏體鋼具有較高的高溫強(qiáng)度和良好的抗氧化、耐腐蝕性能，但是其存在價(jià)格偏高、熱膨脹系數(shù)大、異種(y zhn)鋼接頭過早失效、易于晶間腐蝕等問題，所以在保證機(jī)組運(yùn)行的前提下，應(yīng)盡量少用或避免使用Cr-Ni奧氏體鋼。

17、 在超臨界/超超臨界鍋爐上，對于低溫段過熱器和再熱器，一般使用T22、12Cr1MoV、T23等材料。第14頁/共24頁第十四頁，共25頁。152超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐(gul)選材簡介 T91鋼具有較高的高溫強(qiáng)度、良好的韌性、持久強(qiáng)度和焊接工藝性能，其最高使用溫度可以達(dá)到650，在620以下可代替部分奧氏體不銹鋼使用。在T91/P91基礎(chǔ)上發(fā)展起來的T92/P92鋼，具有更高的許用應(yīng)力和使用溫度，在過熱器和再熱器的高溫段，當(dāng)使用溫度在620左右時(shí)，可選用T91或T92鋼，而不必使用奧氏體鋼。 當(dāng)使用溫度超過600時(shí)，9% Cr鋼受抗氧化能力限制，須采用12% Cr鋼或奧氏體鋼。新型鋼種T1

18、22/P122鋼，其蠕變(r bin)強(qiáng)度和抗氧化、抗腐蝕性能進(jìn)一步提高，在600時(shí)許用應(yīng)力比T91提高約25%，這種新型鐵素體材料，特別適用于620以下的過熱器、再熱器、聯(lián)箱和主蒸汽管道上的厚壁部件，可以使壁厚減薄，降低熱疲勞影響。第15頁/共24頁第十五頁，共25頁。162超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐(gul)選材簡介 奧氏體鋼主要用在過熱器和再熱器管的出口段，在這一管段，除了蠕變強(qiáng)度、抗氧化和煙氣腐蝕成為重要因素。當(dāng)最高使用溫度達(dá)到650時(shí)，鐵素體材料的抗氧化性能下降，需使用部分TP347H奧氏體不銹鋼，當(dāng)最高使用溫度達(dá)到650以上時(shí)，可以選用TP347HFG鋼、TP310CbN鋼等，這些新

19、型的奧氏體不銹鋼不但(bdn)具有較高的高溫強(qiáng)度，特別是具有極佳的抗氧化和抗腐蝕性，同時(shí)還具有較好的加工性和可焊性。 當(dāng)使用溫度進(jìn)一步提高到700左右時(shí)，可以選用super304H經(jīng)濟(jì)型奧氏體不銹鋼，該鋼蠕變斷裂強(qiáng)度高于TP347H約20%，由于細(xì)晶粒而抗氧化耐腐蝕性能優(yōu)異，組織穩(wěn)定性好，可焊性優(yōu)于TP347H，并且經(jīng)濟(jì)性高，可適用于700750以下過熱器、再熱器部件。第16頁/共24頁第十六頁，共25頁。172超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介 基于上述情況，T22、T23、T91、T122、TP347HT、P347HFG等，應(yīng)是超臨界/超超臨界鍋爐過熱器和再熱器鋼管的首選材料和主要候

20、選材料，出口集箱可使用P91、P92、P122等材料。如果煙氣側(cè)腐蝕(fsh)不是很嚴(yán)重，而蒸汽側(cè)氧化成為主要問題的情況下TP310CbN鋼抗蒸汽側(cè)氧化性能最佳，因此可以是最經(jīng)濟(jì)的選擇。對于更高的使用溫度，可以選用super304H經(jīng)濟(jì)型奧氏體不銹鋼。第17頁/共24頁第十七頁，共25頁。182超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介2.3汽水分離集箱材料 汽水分離集箱的工作溫度隨負(fù)荷的變化而變化，一般為350430左右。雖然汽水分離集箱工作溫度不高，但需要承受機(jī)組頻繁啟停和快速負(fù)荷變化，要求管壁薄、材料強(qiáng)度高，以避免熱疲勞破壞。使用溫度400左右的高強(qiáng)度高應(yīng)力15NiCuMoNb（WB36）

21、或13MnNiMoNb（WHB35）鋼管，其經(jīng)濟(jì)性最佳，或選擇使用較為成熟的P22、P91等鋼管制造。具有更高蠕變強(qiáng)度的新型鐵素體材料P92及P122的應(yīng)用，可以使得管壁進(jìn)一步減薄。另外德國生產(chǎn)的高強(qiáng)度的“高溫用可焊鋼DIWA373鋼板”，最高使用溫度達(dá)到500，用其加工制造汽水分離器集箱，也是一種非常(fichng)經(jīng)濟(jì)的選擇。第18頁/共24頁第十八頁，共25頁。192超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介2.4蒸汽管道材料 主蒸汽管道、過熱蒸汽管道、再熱蒸汽管道等，一般使用P22或12Cr1MoV鋼管。由于在工作溫度下其強(qiáng)度較低，所以要求管壁較厚。但由于機(jī)組頻繁啟停和負(fù)荷變化，可能(k

22、nng)會引起熱疲勞破壞。因此可以使用具有更高蠕變強(qiáng)度P91、P92、P122等材料，以減少壁厚。例如當(dāng)選用P91鋼時(shí)，管子壁厚比P22鋼可以減薄將近一半。綜上所述，在超臨界/超超臨界鍋爐上，推薦選擇使用的材料見表2，表3給出了這些推薦材料的主要性能。第19頁/共24頁第十九頁，共25頁。202超臨界/超超臨界機(jī)組(jz)鍋爐選材簡介材料材料用途用途最高使最高使用溫度用溫度/類類型型系列系列牌號牌號過熱器過熱器再熱器再熱器省煤器省煤器水冷壁水冷壁主要蒸汽管道主要蒸汽管道低溫低溫高溫高溫屏過屏過低溫低溫高溫高溫主汽主汽熱段熱段冷段冷段鐵鐵素素體體鋼鋼碳鋼碳鋼國產(chǎn)國產(chǎn)20G48025MnG510A

23、SMESA106C510SA210C5102%Cr國產(chǎn)國產(chǎn)15CrMo56012Cr1MoV580ASMET/P12560T/P22570T/P23（HCM2S）6489%CrASMET/P91650T/P92（NF616）64812%CrASMET/P122(HCM12A)648奧奧氏氏體體鋼鋼18%CrASMETP347H815TP347H(細(xì)晶細(xì)晶)732Seper304H81520%25%CrASMETP310HCbN(HR3C)732表表2 超臨界超臨界/超超臨界鍋爐超超臨界鍋爐(gul)主要用材料選擇表主要用材料選擇表（表示推薦表示推薦(tujin)， 表示表示B廠使用材料）廠使用

24、材料）第20頁/共24頁第二十頁，共25頁。212超臨界/超超臨界機(jī)組鍋爐選材(xun ci)簡介材料材料常溫機(jī)械性能常溫機(jī)械性能許用應(yīng)力許用應(yīng)力/ Mpa最高使用最高使用溫度溫度/類型類型系列系列牌號牌號T.S.MpaY.S.Mpa500550600650700鐵鐵素素體體鋼鋼碳鋼碳鋼國產(chǎn)國產(chǎn)20G4102452748025MnG48527534510ASMESA106C48527534510SA210C485275345102%Cr國產(chǎn)國產(chǎn)15CrMo440235964056012Cr1MoV47025511871580ASMET/P124152208642560T/P2241520581

25、4824570T/P23（HCM2S）51040012590536489%CrASMET/P9158541512610565650T/P92（NF616）620440134123884864812%CrASMET/P122(HCM12A)6204001361238336648奧奧氏氏體體鋼鋼18%CrASMETP347H515205114112915432815TP347H(細(xì)晶細(xì)晶)5502059290886639732Seper304H590235979592784781520%25%CrASMETP310HCbN(HR3C)6552951171141076941732表表3 超臨界超臨界/超超臨界鍋爐選