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1、Wuhan University,超超临界火电机组新型耐热钢材料,主讲人：杨 兵 博士,武汉大学动力与机械学院材料系,2007年10月,从目前世界火力发电技术水平来看,提高火力发电厂效率的主要途径是提高工作介质(蒸汽)的参数,即提高蒸汽温度和压力。发展超临界(SC)和超超临界(USC)火电机组,提高蒸汽参数对提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。随着蒸汽温度和压力的提高,电厂锅炉的效率在大幅度提高,供电煤耗大幅度下降,提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材料耐高温、耐高压问题。我国电力百科全书对“超超临界”定义为:蒸汽参数高于27 MPa。我国863 课题“超超临界发电技术”将超超临界机组设定
2、在蒸汽参数大于25MPa,温度高于580 的范围。超超临界机组发电净效率达43%47%,煤耗在279300 g/kW.h,启动速度快,调峰性能好,低负荷运行稳定,脱硫脱硝工艺成熟而且CO2 排放量比亚临界机组、超临界机组减少2%10%。具有显著的节约能源和减少污染的优势。,超 超 临 界(USC)机组相对超临界机组蒸汽温度和压力的提高对电站关键部件材料带来了更高的要求，尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、加工性能等，因此材料和制造技术成为发展先进机组的技术核心。对锅炉来说具体表现在:(1)高温强度:对于主蒸汽管道、过热器/再热器管、联箱和水冷壁材料都必须有与高蒸汽参数相适应的高温持久强
3、度。(2)高温腐蚀:烟气侧的腐蚀是影响过热器、再热器、水冷壁寿命的一个重要因素，当金属温度提高，烟气腐蚀速率将大幅度上升，因此超超临界机组中腐蚀问题更加突出。,(3)蒸汽侧的氧化:运行温度的提高加剧了过热器、再热器甚至包括联箱和管道等蒸汽通流部件的蒸汽侧氧化，这将导致3种后果:氧化层的绝热作用引起金属超温、氧化皮的剥落在弯头等处堵塞引起超温爆管、剥落的氧化物颗粒对汽轮机前级叶片和喷嘴等的冲蚀。因此在过热器、再热器等材料选择中应充分考虑到抗蒸汽氧化及氧化层剥落性能。(4)热疲劳性能:由于机组启停、变负荷和煤质波动引起的热应力，对主蒸汽管道、联箱、阀门等厚壁部件，材料的抗热疲劳性能是与高温强度同等
4、重要的指标，应在保证强度的前提下尽可能选择热导率高和热膨胀系数低的铁素体耐热钢。,对 汽 轮 机而言，其中的转子、叶片以及其他旋转部件承受巨大的离心力，运行参数的提高对耐热钢的热强性能提出了更高要求，而汽缸、阀门等由于温度和压力的提高也需要更好的热强性能，高温紧固件需要有更高的拉伸屈服强度和蠕变松弛强度，在蒸汽环境下的抗应力腐蚀能力以及足够的韧性、塑性以避免蠕变裂纹形成。机组的启停、变负荷要求厚壁部件如转子、缸体、阀门材料有低的热疲劳和蠕变疲劳敏感性。对再热蒸汽温度高于593的低压转子还必须考虑材料的回火脆性。,火电机组用钢主要有两大类：奥氏体钢和铁素体钢（包括珠光体、贝氏体和马氏体及其两相钢
5、）。奥氏体钢比铁素体钢具有高的热强性，但膨胀系数大，导热性能差，抗应力腐蚀能力低，工艺性差，热疲劳和低周疲劳（特别是厚壁件）也不及铁素体钢，且成本高得多。目前，超临界和超超临界机组根据采用的蒸汽温度的不同，主要采用了以下三类合金钢：（1）低铬耐热钢。包括1.25Cr-0.5%Mo(SA213 T11)、2.25Cr-1Mo(SA213 T22/P22)、1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)以及 912Cr系的Cr-Mo与Cr-Mo-V钢等，其允许主汽温为538566。,（2）改良型912铁素体马氏体钢。包括9Cr-1Mo（SA335，T91/P91）、NF616、HCM12A、TB9、TB12
6、等，一般用于566593的蒸汽温度范围。其允许主汽温为610，30MPa再热汽温625；使用壁温：锅炉625650，汽机600620。（3）新型奥氏体耐热钢。包括：18Cr-8Ni系，如SA213 TP304H、TP347H、TP347HFG、Super 304H、Tempaloy A-1等；20-25Cr系，如HR3C、NF709、Tempaloy A-3等。这些材料的使用壁温达650750，可用于汽温高达600的过热器与再热器管束，具有足够的蠕变断裂强度和很好的抗高温腐蚀性能。正是由于上述低铬耐热钢和改良型912Cr铁素体型钢的研制及使用成功，促进和保证了超超临界机组的发展，并降低了超超临
7、界机组的造价，在经济上具备竞争力。目前，这些新型钢已在欧洲和日本的电厂推广应用，主蒸汽温度最高达610。,4.2 超超临界机组实例7 4.2.1 日本川越电站日本川越火电厂的2700MW机组(32MPa、566566566)是当代具有代表性的超超临界火力发电机组，其锅炉为三菱重工制造的露天型直流辐射二级中间再热直流炉。锅炉最高温的过热器采用耐酸性能良好、符合ASME标准的SA213P347H细粒钢管，允许应力比原来SU347HTB钢材高18，管壁厚减少14。高温过热器出口联箱和主蒸汽管道采用ASME标准的335P91钢材，该材料比原用的STPA24高温强度高，温度571时的允许应力可提高1倍，
8、使壁厚大为减薄。主蒸汽管也采用SA335P91钢材，壁厚比以前的主蒸汽管薄，但寿命损耗以及热膨胀引起的管道反向力矩仍与以前相同。,PCV(电动排泄阀)、PCV主阀门、主蒸汽管疏水阀等，由于使用条件都很苛刻，因此也采用SA213T91材料(锻材)。川越火电厂700MW汽轮机为两次再热、凝汽式TC4F33.5型，是以单轴700MW超临界压力汽轮机为基础的二次再热式超超临界滑压运行的汽轮机，转速3600rmin，由4个汽缸构成，超高压缸与高压缸为对向流合缸结构，中压缸为单缸分流式，低压缸为双缸4排汽结构。其中超高压缸有6级叶轮，高压缸有5级叶轮，双流中压缸左右各有5级叶轮，2个双流的低压缸各有6级叶
9、轮。汽缸和超高压、高压汽轮机的轴均采用12Cr钢。低压转子采用常用的3.5NiCrMoV钢，但要尽量去除P、S、Sn、Mn、Si等不纯微量元素的超静子，有良好的防腐性能。考虑到12Cr轴的热传导率低、硬度高，轴颈部分和推力轴承套采用CrMoV钢制成热套式结构。,超高压汽轮机前几级叶片采用了可靠性高的鞍型叶片，材料为实际应用过的12Cr钢。为了不因高温高压而增加壁厚，因此喷嘴室采用12Cr钢，同时采用双向进汽，减少热应力。由于高温高压化，主汽阀和调节阀承压部分本体材料采用12Cr铸钢，再热主汽阀使用1.25CrMoV钢。4.2.2 丹麦NV电厂 丹麦NV电厂3号机组(1998年10月投运)411
10、MW机组(28.5MPa580580580),汽轮机由GECAlsthom公司采用冲动式设计，汽机入口压力从28.5MPa分3级降到0.7MPa：通过超高压缸(VHP)后蒸汽从28.5MPa降到7.8MPa返回锅炉，通过高压缸(HP)后蒸汽从7.4MPa降到2.0MPa返回锅炉，通过高中压缸(IP0)蒸汽从1.9MPa降到0.7MPa再到中压一缸中缸二缸(IP1IP2)。,VHP汽缸由3层缸(喷嘴室、内缸和外缸)组成。VHP汽缸喷嘴室由9Cr铸造材料制成。通过调速级反动式设计引起反向冷气流，使内缸和调速级转子逐渐冷却。转子由10Cr材料制成。在超高压缸通汽部分，叶片由12Cr抗蠕变材料制成，安
11、装在转子上，并用整体围带连续连接，以达到减幅和避免共振。第一级隔板选用小弧弦导叶，第一隔板采用抗蠕变的12Cr材料，最后一个隔板采用12Cr材料，以满足转子的热膨胀系数。内缸上下两部分在水平铆接处由镍80A和12Cr螺栓固定在一起，材料与喷嘴室完全相同，上缸的理想中心由水平连接支持保证，通过隔板的围带和喷嘴室防止强烈对流。LPlLP2汽缸都是标准设计，内缸采用9Cr钢，低压转子由奥氏体材料制造，螺帽与内缸一样采用镍80A钢。,铁素体耐热钢,是日本住友金属株式会社在我国G102（12Cr2MoWVTiB）基础上，将碳含量从0.08-0.15%降低至0.04-0.10%、Mo量从0.50-0.65
12、%降低至0.05-0.30%、提高W量从0.30-0.55%至1.45-1.75%，并形成以W为主的W-Mo的复合固溶强化，加入微量Nb和N形成碳氮化物（主要为VC、VN，M23C6和M7C3）弥散沉淀强化，而研制成功的低碳低合金贝氏体型耐热钢，近年由ASME Code Case 2199-1批准，牌号为T23。该钢的前身、我国的G102在国内的大型电站锅炉上已经得到广泛应用。T23（HCM2S）钢时效前后的力学性能和金相组织差异小；焊接性能好，优于我国的G102；耐蚀性较好；室温强度和冲击韧性较G102为佳，其许用应力也基本相同。至少等同于我国的G102、而优于SA213-T22和我国的12
13、Cr1MoV。总的说来，HCM2S的优点较多，由于G012在我国的锅炉中已经成功应用多年，HCM2S钢在国内等同代替G102完全可行。,T23(HCM2S),T91/P91,T91/P91 钢是一种改进的9Cr-1Mo 钢,在美国试验材料学会(ASTM)和美国机械工程师学会(ASME)标准中,T91代表锅炉用小管子,P91 代表大直径钢管,F91 代表锻钢。法国在NFA标准中用TUZ10CDVNb09-01 表示。德国曼内斯曼钢管公司用X10CrMoVNb9-1 表示。T91/P91 钢具有优良的高温蠕变性能,日益广泛地应用于亚临界及超临界火力发电机组的主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道,显示出了优
14、异的综合性能。目前,世界上几个主要钢管供应商,如德国曼内斯曼、日本住友、法国瓦鲁海克、美国万门格登公司生产的T91/P91 钢管已经在世界上几十个国家和地区的数十座发电厂的锅炉过热器、再热器和主蒸汽管道上采用。,1.T91/P91 钢的技术性能T91/P91 钢是美国橡树岭国家实验室1975-1976 年研制的新型耐热钢。它本身具有比较高的耐疲劳强度和良好的抗氧化性能,其最高使用温度可以达到650,在620以下可替代部分奥氏体不锈钢使用。在法国标准NFA49213 中,P91 钢室温抗拉强度最大值可达770MPa。T91钢具有相当高的抗拉强度和细微晶粒结构。在540610范围内,T91/P91
15、 钢的许用应力明显高于T22/P22、TP304H和X20 钢。该钢是在A STM A 2l3 T 9 钢的基础上,降低碳含量,增加微量合金元素N b、V,控制N、A l 含量而获得,其主要用于电站锅炉高温过热器、高温再热器管、石油裂化装置的炉管、高温用管道和集箱等。根据蒸汽温度及压力情况,我国在火力发电厂300MW 机组受热面管系高温段均采用T 9l 钢管。,T91 钢通过限制碳含量、添加V、Nb、N 等元素,利用固溶和沉淀强化、微合金化、控轧、形变热处理及控冷从而获得的一种强度和韧性俱佳的耐热钢。钒与铌都是强碳化物形成元素,加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物。加入铌后会与碳、氮形成Nb
16、(CN),有效地产生弥散强化,提高高温强度。为提高高温强度,在使用期间使钢中各碳化物能缓慢析出,必须将钒含量控制在0.25%以下。T91 钢中含微量的氮和铝,氮的作用在于固溶强化和稳定组织。此外,氮与铝能形成A1N。A1N 在1100以上溶入基体,在较低温度下又重新析出,能起到较好的弥散强化作用。,T91/P91该钢的主要特点在于高温持久性能和蠕变性能优异。良好的冲击性能,与奥氏体不锈钢TP347 相比,传热性能好,效率高,抗应力腐蚀开裂及晶界腐蚀性好,热膨胀系数小,管道约束点、连接处应力小,制造安装过程中无异种钢焊接问题,价格只有奥氏体不锈钢的1/3-1/2。该钢已被许多工业发达国家标准承认
17、。T91/P91 钢在高温下具有比较高的蠕变和持久强度及许用应力。因此,采用它可以减小管子壁厚,使整个管道系统重量减轻。从而可相应改变管道的支承结构,节省支吊架的材料费用。此外,管壁减薄能起到很好的节约资源的作用。,金相组织T91 钢在正火并经730760 回火热处理后,金相组织呈典型的马氏体骨架结构,导致M23C6 铬碳化物沉淀在马氏体骨架的边缘,并形成MX 形V/Nb 碳氮化物。在较粗的M23C6 碳化物及内部较细的沉淀转换成细箔之后,会发现次晶粒内较大的位错密度,这种具有高位错密度的细次晶粒结构是T91 钢高蠕变强度的决定因素。物理性能电站所用的钢种,最关心的物理性能是材料的热膨胀系数和
18、导热性。T91 钢的弹性模数、线膨胀系数、热传导系数等主要物理性能数据列入表4。,图1 表示T91,X20(X20CrMoV121),T22(10CrMo910)和TP316LN 的物理性能比较曲线。钢的物理性能与化学成分和晶体结构有关而与微结构无关。也就是说X20 和T91 有相似的物理性能,而T22 和TP316LN 则由于化学成分和晶格结构不同造成它们与T91 的物理性能有较大的差异。特别是与不锈钢相比,T91 具有低的热膨胀系数和良好的导热性,是一种物理性能较好的管道用热强钢。使用T91 钢可以减少膨胀应力和由温度梯度(仅对厚壁P91 管件而言)产生的热瞬态应力。,T91 和EM12、
19、X20 钢的冲击功与温度关系见图2。T91 钢具有相当高的抗拉强度和细微晶粒结构,它的冲击韧性和脆性温度均明显优于同类的X20和EM12 钢。,冲击韧性,T91 钢比常用的T22 钢有更高的持久强度和许用应力,试验表明在550/10 万h 的持久强度值,T91 是T22 的2 倍。表6 中列出了T91 钢与T22、X20、TP304H和12Cr1MoV 钢在不同温度下的许用应力。可以看出,在540610 范围内T91 钢的许用应力明显高于T22、TP304H和X20 钢,但在600 以上,随着温度的升,T91 钢的许用应力下降速度要比TP304H快,因此,目前只用于温度在640 以下工作条件的
20、锅炉管。,高温蠕变持久强度和许用应力,热处理在试验和实践基础上各国对T91 钢都建立了相应的热处理程序,基本上大同小异,见表7。采用热处理方法,可以使T91 钢具有稳定的抗蠕变强度,又降低硬度,保持良好的韧性,易于加工。,焊接性1978 年美国橡树岭国家实验室最早开展了T91钢的可焊性研究,后来法国、日本、英国的研究机构都相继开展了这方面的工作,主要进行焊接热裂纹、焊根裂纹、V 形坡口、氧敏感性、消除应力裂纹、预热温度以及焊件的拉伸蠕变特性等试验。结果表明该材料焊接性优于TP304H 和X20 钢,而且给出了较成熟的焊接工艺和方法。T91 钢可以采用电弧焊接方法 包括氩弧焊(TIG)进行焊接。
21、典型的有SMAW、SAM、GMAW 等焊接工艺。德国规定T91 钢可按所有现行方法进行焊接,预热温度和层间温度在180250 之间,在这种预热温度下焊接不会出现裂纹。焊条和焊剂的化学成分,应使焊缝和母材一致或接近,使焊接金属具有与母材相同或更好的蠕变和持久强度。,对异种金属的焊接,德国已有X20 与T22 焊接的成功经验,T91 与T22 焊接也可以采用类似的方法。T22 和T91 的焊接用与T22 相匹配的焊接材料。由于T22 与T91 焊接部位有一个脱碳区,如果用T22 焊条焊接,必须注意保证焊缝金属的含碳量足够高,以满足持久强度的要求。根据法国的试验研究,T91 及其异种金属的焊接有如下
22、要求:(1)T91+T91,可以选用T9 或T91焊条,预热温度200。(2)T91+X20,用T91 焊条,预热温度250,焊后缓冷至80100,在750以上温度回火。(3)T91+T22,用T22(2 1/4Cr21Mo)焊条,预热温度200,焊后缓冷至室温,在700725 下回火。(4)T91+TP304H,用Inconel82 焊条,预热200,焊后冷却至室温,在700730回火。以上几种焊接的焊后热处理时间一般都在30 min 左右。,异种钢焊接,弯曲及其他性能T91 钢管采用冷弯或热弯都没有困难,一般采用冷弯方法。对弯管受拉、受压和中性3 个区域进行室温和600 下的拉伸试验,结果
23、与管子初始状态基本相同。V 型坡口试样冲击试验证明,韧性也较高,与管子初始状态没有差别。当弯管半径与管子外径之比在1.31.8 条件下,冷弯后10 万h 下的高温持久强度下降约10%,在允许的变化范围内。另外,在540600 温度内100 104 周期疲劳试验证明,T91 的抗疲劳性能优于T22 和TP304H,T91 的抗高温氧化性也远远高于T22 钢。,是日本新日铁在T91基础上，对成分做了进一步完善改进、采用复合-多元的强化手段，适当降低Mo含量至0.30-0.60%、加入1.50-2.00%的W并形成以W为主W-Mo的复合固溶强化，加入N形成间隙固溶强化，加入V、Nb和N形成碳氮化物弥
24、散沉淀强化以及加入微量的B（0.001-0.006%）形成B的晶界强化，从而研制开发的新型铁素体耐热合金钢。此钢在日本称为NF616；现已纳入ASME SA-213标准。T92与T91一样，具有比奥氏体钢更为优良的热膨胀系数和导热系数，其具有极好的持久强度、高的许用应力、良好的韧性和可焊性。其持久强度许用应力较T91更高，在650的持久强度许用应力为T91的1.6倍；且具有较好的抗蒸汽氧化性能和焊接性能，与T91基本相同。,T92/P92（NF616）,在国家“863计划”项目之一的“超超临界燃煤发电技术”项目中,T92 钢是超超临界锅炉主蒸汽管道的首选材料。该钢是在原9Cr-1Mo钢中加入V
25、,Nb,W等合金元素,用V,Nb微合金化并控制B和N含量,具有良好的抗高温氧化和抗蠕变性能,在550 650 的许用应力明显高于10CrMo910,TP304,X20CrMoV121 钢。其抗热疲劳性高于奥氏体不锈钢,热导率和膨胀系数远优于奥氏体不锈钢。目前,美、日、德等工业发达国家对T92 等铁素体钢的全面试验研究正在进行,而国内对T92 等铁素体钢系统、全面的试验研究还不多见1。自2005年在我国百万kW燃煤发电锅炉中首次使用,经过1 a 多的实验室试验和现场施工考验,现把有关材料的焊接和热处理工艺性能试验研究情况总结如下。,T92/P92,T92钢的化学成分和性能特点T92钢在正火和回火
26、状态下使用,其Ac1点在800835 之间,Ac3点在900920 之间。随着冷却过程的进行,T92钢从奥氏体组织完全转化为最高硬度值小于HV450的马氏体组织。Ms点大约在400 左右,Mf点在100 左右2。T92钢是一种高合金铁素体耐热钢,它是在T91钢的基础上,通过超纯净冶炼、控轧技术和微合金化工艺改进的一种细晶强韧化热强钢。其提高了钢的高温蠕变断裂强度,并通过控制较低的碳含量,保证了材料良好的加工性能。,T/P92 特性如表1 所示,T/P92 的化学性能与T/P91 非常相似,但T/P92 中有钨(W)和较少的钼(Mo)。表2 给出了T/P92 重要的物理性能。就机械性能而言,虽然
27、T/P92 的屈服强度低于T/P91,但T/P92 的抗拉强度在室温下大于T/P91。T/P92 的抗蠕变破坏强度在温度范围高于667(1 200 F)时也好于T/P91。显然,T/P92 的抗蠕变破坏强度在温度567667(1 0201 200 F)期间保持恒定,这是高温高压管道应用中很有价值的性能。T/P92 的加工由于T/P92 与T/P91 的化学性能非常相似,因此它们的冶金性能也相似。相同的性能使T/P91 的强度与T/P92 的也相同,这些性能都是钢材微观结构的功能。与T/P91 相同,T/P92 的微观结构对化学和热处理、冷加工(虽然不像T/P91 那样明显)和材料加工环境很敏感
28、。,化学和热处理。T/P91 和T/P92 的下限转变温度(AC1)、上限转变温度(AC3)、马氏体形成开始和结束温度(MS 和MF)都非常相似。因此,影响T/P91 焊后热处理温度(PWHT)的因素同样也影响着T/P92。2 种钢材的正火和退火温度正火温度为1 0551 100(1 9001 980 F)之间,退火温度为767797(1 3801 435 F)之间相同。退火温度对材料屈服强度、抗拉强度和硬度的影响对于T/P91 和T/P92 均相似。然而,据报道,当退火温度超过AC1 以后,T/P92 拉力和强度的增加比T/P91 小。,冷加工。T/P92 的应变水平在要求部件进行正火和退火
29、处理前可达到20%左右。加工环境。与T/P91 相同,必须控制T/P92 材料的加工环境。如果T/P92 材料的焊后热处理温度足够低(低于退火温度),它就会对应力裂纹(SCC)变得敏感。如果环境不够清洁和干燥,这类敏感性会增加。T/P92 在焊接状态下也会对SCC 敏感。如果T/P92 焊接和热处理之间有足够的时间延续(特别是在潮湿的环境下),T/P92 对SCC 的灵敏度会增加。T/P92 的焊接:美国电力研究院(EPRI)上世纪90 年代开始了对T/P92 的可焊性研究计划,美国许多研究机构参与了这项研究,欧洲和日本随后也加入了。从那时起,所有通用的工艺均能成功地焊接T/P92,包括钨极气
30、体电弧焊(GTAW)、埋弧焊(SAW)和保护金属电弧焊(SMAW)。虽然所用的焊接工艺与T/P91 相同,但焊接T/P92 不同处在于合适的焊接消耗品开发上。,与T/P91 一样,T/P92 的焊接也对化学、热处理和加工环境敏感。焊接材料的化学成份是保持材料原有强度最具影响的因素之一。有5 种元素对焊接性能影响最大。氮:由于氮形成碳氮物,氮会影响T/P92 的蠕变破坏强度,增加钢材的屈服强度和抗拉强度,但是降低挠性和韧性。锰和镍:在加工过程中,这2 种元素对T/P92 的AC1 和AC3 温度的影响很大。随之,这些温度又影响着材料的焊后热处理温度和焊口的韧性。铌:铌对材料的韧性有负面影响,但对
31、蠕变强度的影响与下述硼相同(钒也相同)。硼:硼对材料的蠕变特性有很大的影响。在规范中应使硼保持在较低的范围内,以达到最佳的焊接特性和避免降低冲击强度。,T92钢管性能优良，使用温度可达650。可部分替代TP304H和TP347H奥氏体不锈钢管，制造金属壁温不超过650的亚临界、超临界乃至超超临界的电站锅炉的高温过热器和再热器管等受压部件，避免或减少异种钢接头，改善钢管的运行性能。其同样也可用作为压力容器和核电高温受压件用钢。该钢作为将来、现有锅炉的最高温度区以及超临界压力锅炉管子用钢，将能得到广泛应用。,是日本住友金属株式会社以德国X20CrMoV121为基研制的HCM12中，降低了X20Cr
32、MoV121(F12)的碳含量，在钢中加入1%的W和少量的Nb，形成W-Mo的复合固溶强化和更加稳定的细小碳化铌弥散沉淀强化，提高组织稳定性和高温强度）的基础上，进一步调整成分：提高W含量至2%左右、降低Mo含量至0.25-0.60%，还加入1%左右的Cu和微量N、B，形成以W为主的W-Mo复合固溶强化、氮的间隙固溶强化、铜相和碳氮化物的弥散沉淀强化的多种强化，从而研制而成的12%Cr的低碳合金耐热钢。在正回火状态下钢中的主要沉淀相为VC、VN，M23C6。近年由ASME Code Case 2180-2批准，牌号定为T122。,T122（HCM12A）,T122（HCM12A）钢时效前后的力
33、学性能差异很小；金相组织类同母材的原始组织；时效对冲击韧性有一定影响，但经长期时效后仍具有一定的冲击韧性；焊接性能良好；并具有较高的组织稳定性和高温强度、抗氧化性能和抗腐蚀性能。与T91相比，其在高温650时的持久强度、抗氧化性能和抗腐蚀性能更优；与奥氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢在高温下的持久强度和抗氧化性能虽优于HCM12A，但奥氏体钢的应力腐蚀或晶间腐蚀却是一个难题。用HCM12A无此类问题。T122（HCM12A）钢管性能优良。该钢的最高使用温度为650。完全可用于制造先进的超临界锅炉机组的材料，可用于制造大型电站锅炉金属壁温不超过650的过热器和再热器。该钢在600-650的锅炉过热器
34、和再热器上可部分代替TP304H和TP347H，具有良好的经济价值。,E911 钢是在T91 钢之后由欧洲多个国家COST 研究设计的,该钢从1 060 的奥氏体化温度冷到室温时的组织为马氏体,使用态为正火加回火组织。由德国Vallourec&Mannesmann 公司提供的E911 钢的持久试验已做到30000h。E911钢在600 下外推105h 的持久强度为118MPa,而T91 钢为90MPa。E911 钢的高温蠕变断裂强度超过TP300 系的奥氏体不锈钢,具有优良的断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性和可焊性,引起了人们的极大关注。其600 的105h 持久强度比T91 钢高30%,也高于
35、TP304H 钢、TP321H 钢和TP347H 钢的持久强度。总之,研究、比较和评价E911 钢管在常温和高温下的各种力学性能,对E911 钢管的应用和推广具有重要的实际意义。,E911,进一步提高钢的持久强度可通过添加钨来实现,钨起固溶强化作用,并且钨可降低M23C6 碳化物的长大速度,沉淀强化导致富W Laves 相的析出和过时效颗粒的脆化,基于这种情况,E911 钢的钨含量为0.90%1.10%。E911 钢与T91 钢成分上的差别是前者加入了钨和硼,硼起强化晶界的作用,从而提高持久强度。9%12%Cr 钢的特点是它们空淬成马氏体的能力,如100mm 厚的断面可空淬成马氏体。而淬火马氏
36、体经正火和回火热处理后形成的回火马氏体,在回火时得到了高的、均匀的位错密度和细小颗粒的密集碳化物、氮化物的析出。细小的碳化物和氮化物颗粒的分布和高温稳定性是造成高持久强度的关键。E911 钢中的平衡析出物是M23 C6,MX,M2X和Laves 相,M23C6 碳化物通过阻碍晶粒长大来增加持久强度,M23C6 的热稳定性相当高。通过增加强化相M23C6 的量使600 的持久强度提高约50%。MX 析出物的热稳定性非常高,这能解释它们对持久强度巨大的影响。,P122 马氏体钢,该材料在P91 的基础上，通过增加Cr 含量来提高其耐高温腐蚀性能，同时添加少量的B以及用W 代替部分Mo来提高该材料的
37、高温蠕变强度。通过添加适量的Cu 来抑制铁素体的形成，改善该钢的韧性，其化学成分见表2，机构性能见表3。,当前实际应用的铁素体耐热钢最高运行蒸汽温度为620左右，当前实际运行的火电机组中,当温度高于620 C时,多采用奥氏体耐热钢代替铁素体耐热钢。目前国外材料研究机构正致力于开发可在650 下工作的新型铁素体耐热钢,其中开发途径之一便是在11%Cr 钢的基础上添加Co,表1 中的VM12 是德国瓦卢瑞克曼内斯曼钢厂开发的新型铁素体耐热钢,其设计目标是能够满足650 下的抗蠕变及抗蒸汽氧化要求。,VM12,济南锅炉集团有限公司,见图4。试验结果表明P92、12Cr%、VM12 钢的抗高温蒸汽腐蚀
38、能力逐渐增强。比较P92 和12Cr%的蒸汽腐蚀结果,虽然X20 的Cr 的含量提高了,但在650C下的高温蒸汽腐蚀仍然很严重。VM12 钢的抗蒸汽氧化最好,这是由于B 钢中Si 含量增加的结果,研究表明,通过提升Si 含量来提高抗氧化性的作用比提高Cr 含量的效果更加明显,但应注意防止铁素体的形成问题。,NF12、SAVE12钢是为了提高超超临界锅炉效率急需开发能够用于650的铁素体热强钢。通过对12Cr-W-Co钢的研究，表明高的钨和低的碳含量能够提高蠕变断裂强度，而且Co的存在可以避免铁素体的形成。NF12钢的蠕变断裂强度高于P92、P91和F12钢。相信不久的将来，这种蠕变强度优良的N
39、F12钢一定能用于34.3MPa、650的超超临界锅炉中。,NF12、SAVE12,奥氏体耐热钢,沿晶腐蚀：腐蚀沿着金属或合金的晶粒边界或其它的邻近区域发展，晶粒本身腐蚀很轻微，这种腐蚀便称为沿晶腐蚀，又叫作晶间腐蚀。,应力腐蚀开裂（SCC,简称应力腐蚀）：它是在拉应力和特定的腐蚀介质共同作用下发生的金属材料的破断现象。,是ASME SA-213标准中的成熟钢种，为含有较多的Cr和Ni奥氏体不锈钢；我国GB5310-95中的1Cr18Ni9与该钢类似。该钢具有良好的组织稳定性，较高的持久强度、抗氧化性能、同时具有良好的弯管和焊接工艺性能等加工性能。但对晶间腐蚀和应力腐蚀较为敏感；且由于合金元素
40、较多，容易产生加工硬化，使切削加工较难进行；其热膨胀系数高，导热性差。主要用于制造亚临界、超临界压力参数的大型发电锅炉的高温过热器、高温再热器、屏式过热器的高温段以及各种耐高温高压的管件等部件；对于承压部件，最高工作温度可达650；对于抗氧化部件，其最高抗氧化使用温度可达850。另外，该钢也可用于制造在低温浸蚀性介质中工作的容器、阀、管道等以及要求耐腐蚀性的非磁性部件。但由于具有奥氏体钢所具有的缺点，TP304H钢用于承压部件上时，有可能在某种程度上，被T92和HCM12A部分替代。,TP304H,由图2 可见,随温度的升高,原材料试样氧化增重(W)大体呈直线趋势增大.在低温区喷丸有加速氧化的
41、作用,在650 以上,喷丸处理逐渐显示出提高抗氧化性能的作用,在730,0163 MPa 条件下与未处理样品的氧化增重差值达到最大,仅为原材料试样的1/3.继续提高温度,喷丸效果快速减弱.,喷丸处理使TP304 H钢氧化增重随温度的变化脱离了直线趋势,中等喷丸强度在较低温度区段有利于抗氧化性能的稳定,随喷丸强度的增大这种变化更加明显.其中,015 MPa 强度喷丸试样的增重曲线低温段几乎不随温度变化;0163 MPa喷丸试样在690 730 出现了氧化增重量随温度的升高而下降的现象,说明表面氧化膜的物相构成发生了变化,形成了选择性氧化而使氧化常数减小6.由图中曲线走势推断,喷丸处理对氧化动力学
42、的影响程度取决于喷丸强度和氧化温度,且存在极值现象.继续升高温度,喷丸改善抗氧化性能的效果将趋于消失.,金相组织TP304H钢属于固溶强化型奥氏体不锈钢,钢管的供货状态是经过固溶处理,组织为单相奥氏体。图1 为电解浸蚀的TP304H 新管的金相组织,组织为奥氏体及孪晶。,TP304H钢新管的组织为单相的奥氏体,耐蚀性较强,晶界不易浸蚀,随着运行(或超温),晶界逐渐有碳化物析出,合金元素从固溶体中向碳化物迁移,晶界附近固溶体中合金含量降低,碳化物逐渐聚集长大,在局部晶界形成链状碳化物,造成晶界贫铬,逐渐形成晶间腐蚀,随着碳化物继续聚集长大,产生晶界网状裂纹,发生过热爆管。另外,超温严重时,还有相
43、析出。富铬的相形成后,使固溶体中产生的贫铬区,发生不均匀氧化和晶间腐蚀,导致钢的抗氧化性降低,晶间腐蚀敏感性增加,同时,降低钢的冲击韧性和塑性。碳化物分析表明:析出的主要为Fe、Cr 的碳化物,晶界附近合金铬含量降低,增加了间腐蚀敏感性,晶界易于腐蚀,使材质强度降低。随着运行(或超温),钢的室温抗拉强度b 逐渐减小,爆口附近的强度约为新管的80%;高温(540)抗拉强度b 也减小,而且下降幅度更大、更明显。,为铬镍铌奥氏体不锈钢；我国GB5310-95将该钢列入其中，牌号为1Cr19Ni11Nb，此钢也为成熟钢种。由于该钢是用铌稳定的奥氏体钢，故其具有较好的抗晶间腐蚀性能、较高的持久强度、良好
44、的组织稳定性和抗氧化性能，此外还具有良好的弯管和焊接性能；其综合性能优于TP304H。但由于合金元素较多，与TP304H一样，容易产生加工硬化，使切削加工较难进行；其热膨胀系数高，导热性差；故在与异种钢焊接并在高温下使用时，须考虑两种材料的膨胀系数和高温强度匹配问题。TP347H钢管性能优良。主要用于制造亚临界、超临界压力参数的大型发电锅炉的高温过热器、高温再热器、屏式过热器的高温段以及各种耐高温高压的管件等部件；对于承压部件，最高工作温度可达650；对于抗氧化部件，其最高抗氧化使用温度可达850。但由于具有奥氏体钢所具有的缺点，此种耐热钢用于承压部件上时，同样有可能在某种程度上，被T92和H
45、CM12A部分替代。,TP347H,锅炉高温过热器材质均为SA213-TP347H，自168试运行通过后，在累计运行时间不到1000小时内，即于2006年5月30日、7月2日和7月22日、8月28日相继发生4次下部弯管内侧周向裂纹泄漏故障，外数第3圈、第4圈管子上各发生两次。,是由日本住友金属株式会社和三菱重工在TP304H的基础上，通过降低Mn含量上限，加入约3%的Cu、约0.45%的铌和微量的N，使该钢在服役期运行时产生非常细小而弥散的富铜相沉淀于奥氏体母相内的沉淀强化以及NbC、NbN、NbCrN和M23C6的强化作用，而得到很高的许用应力的一种新型的奥氏体不锈钢锅炉管，目前已经纳入日本
46、MITI标准，近期很有可能ASME规范也会予以批准。SUPER304H钢管有极高的许用应力、且综合性能优良。该钢的最高使用温度为700。该钢在日本火电厂主要用于制造过热器和再热器的高温段等部件。由于其性能优良，无论从经济性和可靠性看，它都是今后超临界机组锅炉中过热器和再热器钢管的重要材料，且具有良好的经济价值。,SUPER304H,Super304H 中,Cu 和Nb 含量是从蠕变断裂强度、蠕变断裂韧性、硬度和耐腐蚀的角度确定的。由于长期在服役温度下老化的韧性损失,高温下影响抗拉强度的氮含量上限确定为0.12%。Super304H 的优良性能主要得益于很细富铜相的沉淀强化作用,很细的富铜相可以
47、相互参与地沉淀在奥氏体中。M23C6,Nb(C,N)和NbCrN 的沉淀加强作用可增加蠕变断裂强度。图1 概括了Su2per304H 的增强机理。由于细晶粒结构和Nb 的增加,使Super304H 抗蒸汽氧化和耐热腐蚀的性能大幅度提高。Super304H 的光学微观组织中几乎没有块状相,其微观组织稳定性足够。,Super304H 材料的化学成分如下:C 为0.07%0.13%;Si 0.3%;Mn 0.5%;P 0.045%;S 0.03%;Cr 为17.0%19.0%;Ni 为7.5%10.5%;Cu 为2.5%3.5%;Nb 为0.3%0.6%;N 为0.05%0.12%,机械性能表1 是
48、Super304H 管的强度数据。由于氮的固溶加强影响,强度和0.2%弹性极限应力高于普通的18Cr-8Ni 不锈钢,韧性几乎和TP347H 一样。,取样管在室温和600 的拉伸性能见图2,3。随服役时间增加,室温下抗拉强度和0.2%弹性极限应力在2.5 年后变高,6.5 年后趋近稳定。在600下的抗拉强度很少改变。在室温和600 下,super304H 的强度高于TP321H 和细晶粒TP347H。,蠕变断裂性能Super304H 取样管的蠕变断裂性能见图4。服役10 年后,管的蠕变断裂强度还在原始材料的强度范围内。图4 表明:在高温和较长的断裂时间下,断裂应力具有良好的线性。105 h 的
49、平均断裂强度用Larson-Miller 参数法估算得到。试验表明:Super304H 的105 h 外推蠕变断裂强度值比TP347H 高20%,这是由于细富铜相的沉淀强化作用。,Super304H 在高温条件下具有优良的性能,能满足超超临界锅炉所需在高参数下保持高机械强度的要求。在同样的温度和压力下,使用Super304H 与超临界使用的合金材料比较,炉管壁厚大幅减少。因此,相应的单位长度重量明显减少,同样受热面积所用的钢材随其性能的提高而用量减少。表5 为Super304H 和几种钢材用作受热管时的壁厚。,是一种用于高参数、超超临界锅炉受热面管的新材料,由于细铜相的沉淀强化作用和Nb 成分
50、的掺加,增强了Super304H 的蠕变断裂强度,在高温下具有优良的机械性能和抗蒸汽氧化和耐热腐蚀的性能,可以在650 以下长期运行。经过多次现场测试,结果表明:Super304H 可作为锅炉过热器和再热器管长期使用,其机械性能、蠕变断裂性能、抗蒸汽氧化性能和焊接、弯曲等加工后的性能完全能满足要求。Super304H 除满足锅炉用管的基本性能外,还使受热面壁厚减少、总重量降低、总成本下降,这些优点都给新材料Super304H 的使用带来光明的市场前景。,Super304H(0.1C18Cr9Ni3CuNbN),是与TP347H成分相同、而加工制造、处理工艺不同的铬镍铌奥氏体不锈钢。日本住友是针
