高参数火力发电机组用钢及其现状

参考文献： 1 王程，贺炜 凸轮机构 C A D C A M研究 的回顾与展望 J 机械传动 ，2 0 0 8 ， 3 2( 6 )： l 1 9 1 2 2 2 李 艳 莉 ，张 海 燕 ，李 茂 斌 基 于 T L A B和 S o l i d W o r k s软件的共轭凸轮设计及运 - ， 同 动仿真 J 轻工机械 ，2 0 0 8 ， 2 6 ( 1 ) ：5 2 5 4 3 3 唐善华 平底直动从动件共轭凸轮机 构的设 计 J 机 械设计 与研 究 ， 2 0 0 7 。 2 3 ( 3 ) ： 3 7 3 9 4 陈建I临，王爱国 凸轮机构运动仿真 分析 J 制造业信息化，2 0 0 8( 1 )：1 4 0 1 4 0 Ac a d e m i c 学术 5 谢 最伟，吴新跃 基于 A D A M S的碰撞 仿真分析 c 第三届中国C A E工程分析技术年 会论文集，2 0 0 6 ： 3 4 7 3 5 0 作者 简介：朱汉阳 ( 1 9 8 6 0 3 0 8 一 )，男， 汉族，湖 北随州人，贵州大学现代制造技术教 育部重点实验室，机械工程，硕士研究生。 参数火力发电机组用钢及其现状 4 3 1 41 5 湖北省电力建设第二工程公司 湖北 武汉 一 朱星星 摘要 ： 本文着重回顾了国内外火力发电机组锅炉用钢的发展历程 ， 概括了超临界、超超临界等高参数机组锅炉用钢的现状、开发及研制水平 ， 对 锅炉新型耐热钢的化学成分、金相组织、常温力学性能、使用温度等性能做了说明。 1 火力发电机组的发展趋势 在当前及今后 较长 时间 内，电力供应与社 会 实际需求之间的矛盾依然突 出，随着 电力体 制改革 的稳步推进，厂网分开的改革 已经基本 完成，五大发电公司的成立为火力发 电的发展 提供 了千载难逢 的机遇，电力工业发展跨上了 一个新台阶。 高效率高参数的超 I临界 ( S C )和超超临界 ( U S C )火电机组的建造、 安装、使用是必然趋势， 主要原因是可大幅降低煤耗、提高效率 。从 目 前火力发 电技术水平来看 ，提高火力发 电机组 效率 的主要途径是提高蒸汽的参数，即提高蒸 汽压力和温度。提高蒸汽的参数对提高火力发 电机组效率的作用是相 当明显的，见下表 ( 据 资料)： 表 l蒸汽：参数与火电机组效率供电煤耗的关 系 电 蒸汽 压 厂 供电 蒸汽温度 序 机组类型 力 效 煤 耗 号 P a 窒 g k w h 1 中压 机 组 3 5 4 3 5 2 7 4 6 0 2 高压 机 组 9 O 5 l 0 3 3 3 9 0 3 超 高压 机组 1 3 0 5 3 5 5 3 5 3 5 3 6 0 4 亚 临界 机组 1 7 O 5 4 0 5 4 0 3 8 3 2 4 5 超临界机组 2 5 5 5 6 7 5 6 7 4 1 3 0 0 高 温 超 临 界 6 2 5 O 6 0 O 6 0 0 4 4 2 7 8 机组 超超临界机 7 3 OO 6 0 0 6 0 0 6 0 O 4 8 2 5 6 组 高 温 超 超 临 8 3 O 0 7 0 0 5 7 2 l 5 界机组 超 7 0 0 机 9 超 7 0 0 5 0 2 0 5 组 注： 按 照 标 准 规 定， 高 压 机 组： 压 力 9 8 M P a ； 超高 压机 组：压 力 1 3 7 2 M P a ，实 际用 1 4 1 6 M Pa ； 亚 临 界 机 组： 压 力 1 6 6 6 M P a ， 温 度 5 4 0 ，实际用 1 7 2 1 M P m 超 临 界 机 组： 压 力 2 2 1 9 M P a ， 温 度 5 6 6 ，实际用 2 4 2 7 M P a ； 超 超 临 界 机 组： 压 力 3 0 M P a ， 温 度 6 0 0 ，实际用 3 1 3 4 M P a 。 由此可见，要提高大型火 电机组效率，首 要是提高锅炉蒸汽压力温度参数，然而，受金 属材料尤其是锅炉用耐热钢材料发展 的限制， 直至上世纪 8 O年代中期之前，锅炉蒸汽温度参 数一般都在 5 4 0 5 6 O 。为了提高大型机组的 效率，提高锅炉蒸汽压力温度参数，世界各 国 的冶金工作者一直致力于高参数火 电机组用钢 的开发与研制。 2 高参数机组对锅炉用钢性能的要求 机组对钢材性能 的要求通常取决于锅炉对 管道、联箱材料的性能要求。高温度、高压力锅 炉要求钢材具有如下性能：热强度高，抗高温烟 气氧化腐蚀，抗高温汽水介质腐蚀 ，焊接性和工 艺性良好。其对钢材性能的要求的原则是： 满足部件工作温度的需要； 工作温度下具有高的持久强度蠕变强度 或抗松弛性能，在其他条件相 同或相近情况下， 强度高或抗松弛性能高的材料优先选用； 金相组织稳定，无常温脆性和长期时效 脆性： 抗蒸汽氧化、烟气腐蚀及应力腐蚀； 易于冷热加工； 异种钢焊接工艺能保证其应有的性能； 相对低的材料价格 。 3 锅炉用新型耐热钢的开发与研制 锅炉用钢可分为两大类：奥氏体钢和铁索 体钢( 包括珠光体、 贝氏体、 马氏体及其两相钢 ) 。 这里要特别说 明的是，我 国所定义的珠光体、 贝氏体、马氏体及其两相钢，在美国 A S M E标准 中统称为铁素体钢，没有马 氏体钢 、贝氏体钢 等概念 。奥 氏体钢 比铁索体钢具有更 高的热强 性，但膨胀系数大，导热性能差，抗应力腐蚀 性能低 ，工艺性差，热疲劳和低周疲 劳 ( 特别 是厚壁件 ) 性能也比不上铁素体钢 ， 且成本要高。 3 1国外钢材系列 国外电站锅炉用钢早已经形成系列化 。 如高压 锅炉 管，早 期用钢 系列 是从碳 钢 ( 2 0 G 、 S T 4 5 8 、S A 2 l O M C 或1 0 6 B C ) ， 低 合 金 铬 (钼 ) 钢 ( S A 一 2 0 9 T 1 a 、1 5 M o 3 、 S A一 2 1 3 M T 2、T P l 2 1 3 C r M o4 4 、T P 2 2 德 国 1 0 C r M o 9 1 0 、俄罗 斯 1 2 C r l M o V等 )、 中高合 金 铬钼钢 ( 9 1 2 C r型，如 T P 9 、T P 9 1 等)， 到 奥氏体钢 ( T P 3 0 4 H 、T P 3 4 7 H )，形成 了完整 的用钢系列，基本上满足 了从低参数到高参数 机组不同档次的锅炉钢管的使用要求。 3 2国外新钢材 的开发和研制 由于参数 的提高，为 了适应超 ( 超 )临界 机组的发展要求，国外 ( 特别是 日本和德 国) 经过近 3 0 余年的研究、开发、试验、应用，锅 炉用钢系列发生 了一些变化 ，增添了一些新成 员，低合金铬 ( 钼)钢增加了T P 2 3 、T 2 4 等， 中高合金铬 钼钢 增加了 T ' 9 2 、T P 1 2 2等，奥 氏体钢增加 了T P 3 4 7 H F G 、S u p e r 3 0 4 H 、H R 3 C 、N F 7 0 9等 。 3 2 1铁素体钢 T P 9 1 钢是美 国在 T P 9钢 的基础 上于 8 0年代初开发成功的。P 9 1 钢 的问世是冶金技 术进步的产物一一可焊细 晶强韧化马氏体耐热 钢。 控制轧制及微合金化，达到净化杂质 、细 化晶粒的目的 T P 2 3钢是 日本在 T P 2 2 钢 的基础上， 吸 收 了 1 0 2钢 的优 点开 发成功 的 (日本钢 号 H C M 2 S )。该钢高温强度高于 T P 2 2 ，焊接性能 优于 1 0 2 钢 。 T e 2 4在 T P 2 2的基础上，增加 v 、T i 、B ， 减少 C 。 T 2 3 、T 2 4均是超超临界锅炉水冷壁的最佳 选材。 T 9 2 P 9 2是 日本在 上世纪 9 O年代初 ， 在 大量推 广 T 9 1 、P 9 1的基 础上，发现 当使用 温度 超过 6 0 0 时，已不 能满足长期安全运行 的要求，顺着美国开发出 T P 9 1 钢的思路，开 发 了N F 6 1 6 ，是一 种高 温 强度 更高 的 9 C r马 氏体耐热钢 ，被 A S M E标准认 可，标 准号定为 S A 2 1 3 - T 9 2、 S A 3 3 5 一 P 9 2 。 与 T P 9 1钢相 比，增加 了约 1 7 的 W ，M o 的含量由1 降为约 0 5 。由于焊接材料的影响， 也由于 w是 6铁素体形成元素，使焊缝冲击韧 性有所降低。对 予热、层间温度、焊接 线能量 的要求是相近的，也需待马氏体转变完成 随即 中国机械 M a c h in e C h in a 1 9 I H d U II I l 学术 进行焊后热处理，热处理温度 、恒温时间的要 求也都基本相同。 T P 1 2 2钢是日本在德国 X 2 O C r M o V I 2 1 钢 的基础上开发成功的 1 2 C r马氏体耐热钢 ( 日本 钢号H C M 1 2 A ) ， 其高温强度 比X 2 O C r M o V 1 2 1 提高， 焊接冷裂缝倾向显著降低。 与X 2 O C r M o V I 2 1 相比， 其化学成分特点是：含 C量从 0 2 0 降至 0 1 o 左右，同时加入约 2 w ， 约 t C u和少量 的 。 该钢 c r 高 C 低，并且含 2 W，在 T 1 2 2小管中， 由于 c r含量偏上限，可能含有少量铁素体。T P 1 2 2钢焊接工艺要求与 T P 9 1 钢相仿 ，但应特 别关注如何确保焊缝冲击韧性符合要求。 3 2 2奥氏体耐热钢 按照成分 和 A S M E标准 ，将 奥氏体钢 分为 1 8 C r和 2 0 一 2 5 C r两大系列。 1 8 C r系列 ： T P 3 4 7 H F G是 日本住友公司在 2 0 世纪 8 O 年代在 T P 3 4 7 H基础上开 发出来的，保持 了原 T P 3 4 7 H较高的短时拉伸性能和各种高温长时性 能，又提 高抗高温氧化和高温蒸汽腐蚀性能。 化学组成没有差别，细 晶强化效果明显，得到 A S M E认 可 。 2 0世纪 9 O年代初， 日本住友公司和三 菱 重工在 S A 2 1 3 一 T P 3 0 4 H的基 础上 改 良，得 到 S u p e r 3 0 4 H ， 较T P 3 4 7 H ， 细晶粒， 抗氧化性能优异， 组织稳定性好， 可焊性优于 T P 3 4 7 H ，经济性高， 不含 M o 、w等贵重元素，许用应 力高，较高的 蠕变断裂强度。得到 A S 虹 认可。 2 0 一 2 5 g C r系列 H R 3 C ：上世纪 8 O年代初， 日本住友公 司在 T P 3 1 0 基础上添加 N b 、N 而成。 在苛刻烟气、 蒸汽环境下具有优异性能，持久强度 、组织稳定 性 ，高温强度高，较好的加工性和焊接性 。得到 A S M E认可。 N F 7 0 9 ： 日本新 日铁公司上世纪 8 O年代中期，在原有 2 0 O r 一 2 5 N