超超临界火电机组锅炉用钢的分析.pdf

w w w . b z f x w . c o m 2006年第3期60 Materials for Boilers in Ultra-Supercritical Thermal Power Unit 超超临界火电机组锅炉用钢的分析 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。 1锅炉用钢 超超临界机组的关键部位是高温高压蒸汽 管道 、集箱 、过热器 、再热器和水冷壁管 等,这些都涉及到蠕变强度的问题。而且, 管道和集箱等大部件还得面对由于热应力而 造成的疲劳问题 。相对于奥氏体不锈钢而 言,铁素体和马氏体钢由于低热膨胀系数和 高导热性而优先采用。早期超超临界采用奥 氏体钢的主要问题是热疲劳问题。最近几十 年的研究集中于开发能够替代奥氏体钢的低 成本高强度铁素体钢,并已经开发了具有良 好焊接性能和断裂韧性且能够用于620℃ 的铁 素体钢。 过热器和再热器管材料需要具有高蠕变强 度、热疲劳强度、良好焊接性能、向火侧耐 腐蚀和蒸汽侧耐氧化能力,一般采用铁素体 和马氏体钢。然而,这些钢种中最好的理论 上能用于管壁温度620℃ [ 1 ], 但是在593℃左 右由于向火侧腐蚀原因而受到限制。大量管 子中沉积的液态碱、硫酸盐能加速对铁素体 钢的腐蚀,这在美国尤其突出,因为美国煤 种中含硫量比较高。因此美国较少采用高强 铁素体不锈钢如T91 ,低温下采用T22 ,而在 高温下一般采用SS304H或SS347。 对水冷壁而言,一方面高临界压力和炉膛 的高温将提高水冷壁温度至临界点,这将导 致易焊接的低合金钢如T11 [ 2 ]1. 25Cr , 0. 5M o 在蠕变强度方面是不够的。理论上高强度钢 如T91是可以的,但T91需要焊后热处理。另 一方面是腐蚀问题,最近研究表明,采用二 次风,改进型低NOx燃烧系统,低合金钢腐 蚀能达到2 mm/ a ,因此必须使用易焊接的含 Cr高强度合金来减少或消除腐蚀。 2联箱和蒸汽管道材料 2. 1联箱和蒸汽管道所需材料特性 管道里的蒸汽温度是比较均匀的,但联箱 里的温度分布与时间和地点有关。因此,相 摘要火力发电厂的效率很大程度上依赖于蒸汽温度和压力,这其中蒸汽温度是主要因素,而对蒸 汽温度起决定性作用的是锅炉用钢。在查阅大量文献资料的基础上,简要回顾了超超临界机组锅炉 用钢的发展历史,主要讨论了超超临界机组联箱和蒸汽管道、过热器再热器以及水冷壁等的服役 工况,国内外超超临界机组锅炉用钢的常用材料和使用特点,给广大技术人员在实际使用中作为参 考。 关键词超超临界;参数;锅炉;用钢 中图分类号 TK225文献标识码B文章编号 1007 - 18812006 03 - 0060 - 04 陈小林,楼玉民,杨点中 浙江省电力试验研究院,浙江杭州310014 浙 江 电 力 ZHE JIANG ELECTRIC POWER w w w . b z f x w . c o m 2006年第3期61 对于管道而言,联箱材料就需要更高的热疲 劳强度。管道更要考虑自重所引起的应力。 最重要的不同点是联箱与过热器和再热器管 连接的进口处有很多焊口,而出口有很多与 管道交叉在一起。根据各自的条件,联箱、 过热器和再热器管选择不同的材料,必然要 涉及到异种钢的焊接问题。 联箱和管道在美国一般采用低合钢如P11 和P22 ,目前,在P11和P22基础上又开发出 了能工作在593℃的新钢种,包括HT9、 HT91、HCM9M、HCM12和P91。HT9和HT91 在500～600℃ 范围内能稳定工作超过10 5 h。 德国、比利时、荷兰、南非等国家,在蒸汽 温度540℃,某些部位温度达560～580℃ 的情 况下用了超过20 a。在某些特殊场合焊接和 焊后热处理过程中也存在问题。含C量的提 高和相对低Ms温度将促进焊后马氏体的形 成、高残余应力、冷裂纹和应力集中等。这 些问题能通过控制焊前和焊后热处理温度来 克服。 在蠕变断裂强度明显优于HT9、HT91和 HCM9M的改进型9Cr合金P91是用于595℃ 温度下联箱和蒸汽管道的首选材料。近年来 欧洲的超临界机组大部分采用P91作主蒸汽 和再热蒸汽管道,还有用作集箱和其他的一 些蒸汽管道。欧洲人发现P91的焊接性能和 蠕变强度都比HT91钢好,广泛应用于超临界 机组。 P91具有较高的蠕变强度是因为合金加入 了少量的V、Nb和N,促使碳化物M23C6和碳 氮化物 Nb 、 V 的沉淀,而且通过M o使溶解 能力增强。更多研究想证明P91用作大型部 件的可靠性。这些研究包括对原始样和服役 试样的焊接试验,弯曲试验,冷热试验,多 样力学试验等等 [ 3 , 4 ], 这些研究结果对于P91 用于超临界机组的大型部件提供了依据。 日本Fujita发现9 - 12Cr、M o、V、Nb钢 的蠕变断裂强度能够通过用W替换M o来提 高30 [ 5 ]。由日本钢种 NF61P92发展的9Cr 钢和由P122发展的12Cr钢, ASME推荐适用 大型构件。在欧洲开发了另外一种含W的合 金E911。这些新钢种在600℃ 的强度比P91高 25 左右 。这些钢允许蒸汽温度可以达到 620℃,压力可以达到34 MPa。 从P91之后又出现了可以适用于超超临界 机组工作620℃条件下的钢种P122、NF616和 E911 , HCM12、EM12、HCM9M和HT91适合 中等温度 593 ℃条件下。在给定温度下,具 有高允许应力的材料可以设计更薄的水冷壁 联箱和管子。 2. 2应用铁素体钢做联箱应注意 1高强铁素体合金,如NF616、HCM12A 和E911实际上和奥氏体合金的高温强度一 样。但是抗氧化性比奥氏体差,因此这些9 - 12Cr合金用于高温部件时必须先充分评估。 2对于9 - 12Cr钢焊接时需要焊后热处 理,确保获得最小焊接应力和最佳韧性。并 设计出减少热处理区域的工艺,来尽可能保 证焊接和焊后热处理所需区域最少。 3对于异种钢焊接,必须在考虑焊后热 处理温度的基础上选择焊材。 4铁素体钢接头对IV型裂纹比较敏感, 并已经在1/ 2CrM oV、2 - 1/ 4Cr - 1M o和T91钢 体现了。有时为了克服这种敏感性需要10 ～20 的安全余量,由于这个敏感性主要与弯 曲应力有关,因此可以通过合适的设计和维 修来克服。 3过热器和再热器管材料应考虑的 因素 过热器、再热器在高参数锅炉中所处的环 境条件最恶劣,所用钢材在满足持久强度、 蠕变强度要求的同时,还要满足管子外壁抗 烟气腐蚀、飞灰冲蚀、管子内壁抗蒸汽氧化 性能,并均有良好的冷加工工艺性能和焊接 性能。其次为高参数机组一般过热器管组非 常多,因此成本必须低。 3. 1蠕变断裂强度 单纯考虑蠕变断裂强度,可以用铁素体钢 做管道和联箱。用T22做的管子应当限制蒸汽 温 度538℃ 。 合 金T91、HCM12、EM12、 HCM9M和HT91限制蒸汽温度565℃,合金 T92、P122和E911限制温度593℃。在腐蚀条 件下,最好的铁素体钢也只能限制在563℃, 浙 江 电 力 w w w . b z f x w . c o m 2006年第3期62 这就需要奥氏体钢。尽管9Cr钢在593℃下抗 蠕变能力是足够的,但是它们向火侧的抗氧 化性值得探讨。这样12Cr钢,如P122是可行 的。 在18Cr - 8Ni基础上开发的如TP304、 316H、347H和耐腐蚀镍合金A - 1钢,含有 更低的Cr和更高的Ni如17 - 14CuM o钢、Es2 shete1250和耐腐蚀镍合金A2 ,属于含Cr少于 20 的合金。有报告指出, AISI型347H不锈 钢相对于耐腐蚀镍合金A - 1系列钢有些时候 会有更高的强度 [ 6 ]。 已经开发了一些含Cr超过20 具有高抗 蠕 变 强 度 的 合 金,如NF707、NF709和 HR3C,可以在650～700℃ 替代耐热镍合金In2 coloy800 ,而且成本更低 。NF709和HR3C甚 至可以在更高的温度下使用。Inconel617含Cr 超过22 ,具有更高的蠕变断裂强度,但因 为高的含Ni量成本太大。 随着含Cr量提高,奥氏体钢的允许使用 温度显著提高。高强度铁素体钢也能提高约 50℃ [ 7 ]。在提高温度能力方面 ,稳定奥氏体 合金具有最高的能力,其次是亚稳定奥氏体 合金、铁素体合金。稳定奥氏体合金能工作 在650℃ 条件下。 3. 2向火侧腐蚀 向火侧的腐蚀主要是因为硫、纳和铁的存 在。因为向火侧的抗腐蚀能力随含Cr量提高 而增强,目前使用的9 ～12 Cr铁素体钢比 2 - 1/ 4Cr - 1M o钢有更强的抗腐蚀能力。12 Cr比2 - 1/ 4 Cr和9 Cr钢有更强的抗腐蚀 能力。不锈钢和其他含Cr量超过30 的超合 金还在开发。实验室研究表明,含Cr量超过 30 抗腐蚀能力就饱和了 [ 8 ]。 当温度低于600℃时,因为硫、纳和铁三 相以固态形式存在,腐蚀比较小。当温度高 于750℃ 时,腐蚀速率又低了,硫、纳和铁三 相蒸发了。因此最严重的腐蚀问题是在600～ 750℃ 之间。有数据表明,高Cr合金如310不 锈钢和Incoloy800H抗腐蚀性优于其他的合 金,如Inconel671或者它的焊接材料IN72。低 Cr不锈钢,如316H、321H系列和Esshete1250 对腐蚀也有相同的敏感性。研究表明下列几 种钢的抗腐蚀能力依次增强 T91、HCM12、 347不锈钢、Incoloy800和Inconel671 [ 9 ]。 Blough在更深的领域里研究了这种腐蚀问 题 [ 10 ] 。研究结果表明,特别在含低Cr量的高 强度奥氏体钢中会出现严重的过热器腐蚀现 象。对于许多煤种,高强度改进型合金800系 列,如NF709 ,具有足够的抗腐蚀能力。而对 于大部分腐蚀煤种,改进型310系列合金,如 HR3C,应该提供更多的安全余量。 3. 3内壁蒸汽侧氧化 管道的蒸汽侧氧化和腐蚀剥落对管道的损 伤是显而易见的。这个问题在一些新建电厂 尤为突出,因为更高的蒸汽温度会导致氧化 速率加快。日本的Sumitomo材料研究所研究 了500 h T22 , T9 , HCM9M和T91的蒸汽侧氧 化速率 [ 11 ]。结果表明 , T91的抗氧化性能最 好。Masuyama et al用了一年时间在温度550～ 625℃之间研究了HCM12 , HCM9M, 321H和 347H的抗氧化性 [ 12 ]。 4水冷壁管材料 4. 1焊后热处理 当锅炉在625℃/ 32 MPa下运行时,中间 水冷壁墙的最高温度能达500～525℃,这意 味着标准低合金铁素体钢如T11的抗蠕变能 力是不够的。只有T91才合适,但是需要焊 后热处理,这一点在现场比较难 。两种由 SUMITOMO和MHI开发的含Cr2. 5 和12 的 钢种能适应这个条件而且不需要焊前和焊后 热处理 [ 13 ]。这两种钢有着和 T91一样的蠕变 强度,特别是2. 5 Cr钢更适用这种场合,这 种钢已经被ASME采用并命名为T23。 4. 2水冷壁腐蚀 美国有几台锅炉改造时发现,低合金钢水 冷壁出现严重腐蚀,达到1～3 mm/ a。超临界 机组比亚临界更严重,当煤中含S量超过1 时会更严重。然后含S量超过1 时,在S和 腐蚀速率之间没有严格的关系。实验室研究 表明烟气中H2S和CO的存在不能解释最高腐 蚀速率。FeS的存在能加速腐蚀速率。 陈小林,等超超临界火电机组锅炉用钢的分析 w w w . b z f x w . c o m 2006年第3期63浙 江 电 力 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] 5结论 1在铁素体钢基础上发展起来的新钢种 能很好的应用在蒸汽温度在538℃/ 17 MPa条 件下。 2锅炉管道和联箱用钢需要高蠕变强 度。基于这个原因,发展合金集中于含Cr9 - 12 的铁素体钢。在含Cr9 - 12 的铁素体钢 中加入Nb、M o、V、W等产生了3种新型合 金P92、P122和E911 ,能够工作在620℃/ 34 MPa条件下。含Co和W的12 Cr新型钢种 NF12和SAVE12可能能应用650℃ 下。初步研 究表明,温度超过650℃,可能需要奥氏体钢 或者镍基合金。 3过热器和再热器管,蒸汽侧抗氧化能 力和向火侧抗腐蚀能力是主要的。在温度超 过565℃ 高温时就需要奥氏体钢。根据煤种不 同,可 能 需 要 高Cr钢 和 镀 层 钢 。对 于 620℃,在无腐蚀条件下可以采用Super304H, AA1 , 17CW- MO;但在腐蚀条件下,就需要 20 ～25 Cr钢,如HR3C, NF709和镀IN72 合金 。另外几种合金Inconel 671 , NF709、 Cr30A和镀Inconel 67150 合金可以用于 650℃。 4对于水冷壁部分,根据蠕变强度和焊 接性可以采用两种含Cr2. 5 和Cr12 的T23 和HCM12合金。纯粹从蠕变强度考虑,它们 可以用于595～650℃范围内;当某些锅炉含 NOx较低,存在向火侧腐蚀时,这些合金就必 须进行镀层,或用Cr18 - 20 合金表面涂层。 参考文献 K. 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Materials Development for Power Plants with Ad2 vanced Steam Paremeters[ R] . Utility Point of View[ R] . Proc. materials for Advanced Power Eng. 1991. 收稿日期 2006 - 01 - 23 作者简介陈小林1975 - ,男,湖北黄冈人,工程师, 硕士,主要从事电厂金属材料性能分析及金属监督。