超超临界火电机组锅炉用钢的分析

# 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。 # " $ 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 +!! 做 的 管 子 应 当 限 制 蒸 汽 温 度 ’$1) 。 合 金 +(%、 *,-%!、 G-%!、 *,-(- 和 *+(% 限 制 蒸 汽 温 度 ’#’) ， 合 金 +(!、 &%!! 和 G(%% 限 制 温 度 ’($) 。 在 腐 蚀 条 件 下 ， 最 好 的 铁 素 体 钢 也 只 能 限 制 在 ’#$) ，
度、热疲劳强度、良好焊接性能、向火侧耐 腐蚀和蒸汽侧耐氧化能力，一般采用铁素体 和马氏体钢。然而，这些钢种中最好的理论 上 能 用 于 管 壁 温 度 #!"* + , - ， 但 是 在 ./$* 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 0/,， 低 温 下 采 用 0!!， 而 在 高 温 下 一 般 采 用 ’’$"12 或 ’’$13。 对水冷壁而言，一方面高临界压力和炉膛 的高温将提高水冷壁温度至临界点，这将导 致易焊接的低合金钢 % 如 0,, + ! - , 4 !.(5 ， " 4 .67 & 在蠕变强度方面是不够的。理论上高强度钢 如 0/, 是 可 以 的 ， 但 0/, 需 要 焊 后 热 处 理 。 另 一方面是腐蚀问题，最近研究表明，采用二 次 风 ， 改 进 型 低 89: 燃 烧 系 统 ， 低 合 金 钢 腐 蚀 能 达 到 ! ;; < = ， 因 此 必 须 使 用 易 焊 接 的 含 (5 高 强 度 合 金 来 减 少 或 消 除 腐 蚀 。
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陈小林，等：超超临界火电机组锅炉用钢的分析
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这 就 需 要 奥 氏 体 钢 。 尽 管 %&’ 钢 在 (%$) 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 *!&’ 钢 ， 如 +*!! 是 可 行 的。 在 *,&’ - ,./ 基 础 上 开 发 的 如 0+$"1、 $*#2 、 $132 和 耐 腐 蚀 镍 合 金 4 - * 钢 ， 含 有 更 低 的 &’ 和 更 高 的 ./ 如 *3 - *1&567 钢 、 89: 9;<=<*!(" 和 耐 腐 蚀 镍 合 金 4!， 属 于 含 &’ 少 于 !" > 的 合 金 。 有 报 告 指 出 ， 4?@? 型 $132 不 锈 钢相对于耐腐蚀镍合金 4 - * 系列钢有些时候 会有更高的强度 A # B。 已 经 开 发 了 一 些 含 &’ 超 过 !" > 具 有 高 抗 蠕 变 强 度 的 合 金 ， 如 .C3"3、 .C3"% 和 2D$& ， 可 以 在 #(" E 3"") 替 代 耐 热 镍 合 金 ?F: G7H7I,""， 而 且 成 本 更 低 。 .C3"% 和 2D$& 甚 至 可 以 在 更 高 的 温 度 下 使 用 。 ?FG7F<H#*3 含 &’ 超 过 !! > ， 具 有 更 高 的 蠕 变 断 裂 强 度 ， 但 因 为 高 的 含 ./ 量 成 本 太 大 。 随 着 含 &’ 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 A B (") 3 。 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 #(") 条 件 下 。 ! " # 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 &’ 量 提 高 而 增 强 ， 目 前 使 用 的 % > E *! > &’ 铁 素 体 钢 比 ! - * J 1&’ - *67 钢 有 更 强 的 抗 腐 蚀 能 力 。 *! > &’ 比 ! - * J 1 > &’ 和 % > &’ 钢 有 更 强 的 抗 腐 蚀 能 力 。 不 锈 钢 和 其 他 含 &’ 量 超 过 $" > 的 超 合 金 还 在 开 发 。 实 验 室 研 究 表 明 ， 含 &’ 量 超 过 A B $" > 抗 腐 蚀 能 力 就 饱 和 了 , 。 当 温 度 低 于 #"") 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 3(") 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 #"" E 3(") 之 间 。 有 数 据 表 明 ， 高 &’ 合 金 如 $*" 不 锈 钢 和 ?FG7H7I,""2 抗 腐 蚀 性 优 于 其 他 的 合 金 ， 如 ?FG7F<H#3* 或 者 它 的 焊 接 材 料 ?.3!。 低 &’ 不 锈 钢 ， 如 $*#2 、 $!*2 系 列 和 899;<=<*!("
!’ D 左 右 。 这 些 钢 允 许 蒸 汽 温 度 可 以 达 到 #!") ， 压 力 可 以 达 到 $0 -&2 。 从 &(% 之 后 又 出 现 了 可 以 适 用 于 超 超 临 界 机 组 工 作 #!") 条 件 下 的 钢 种 &%!!、 6=#%# 和 G(%%， *,-%!、 G-%!、 *,-(- 和 *+(% 适 合 中 等 温 度 8 ’($) 9 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。 ! " ! 应用铁素体钢做联箱应注意 8 % 9 高 强 铁 素 体 合 金 ， 如 6=#%#、 *,-%!E 和 G(%% 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 ( B %!,4 合 金 用 于 高 温 部 件 时 必 须 先 充 分 评 估 。 8 ! 9 对 于 ( B %!,4 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。 8 $9 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。 8 0 9 铁 素 体 钢 接 头 对 H5 型 裂 纹 比 较 敏 感 ， 并 已 经 在 % I !,4-:5 、 ! B % I 0,4 B %-: 和 +(% 钢 体 现 了 。 有 时 为 了 克 服 这 种 敏 感 性 需 要 %" D . !" D 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。
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超超临界火电机组锅炉用钢的分析
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陈小林，楼玉民，杨点中
% 浙江省电力试验研百度文库院，浙江 杭州 $,"",1 &
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锅炉用钢
超超临界机组的关键部位是高温高压蒸汽 管道、集箱、过热器、再热器和水冷壁管 等，这些都涉及到蠕变强度的问题。而且， 管道和集箱等大部件还得面对由于热应力而 造成的疲劳问题。相对于奥氏体不锈钢而 言，铁素体和马氏体钢由于低热膨胀系数和 高导热性而优先采用。早期超超临界采用奥 氏体钢的主要问题是热疲劳问题。最近几十 年的研究集中于开发能够替代奥氏体钢的低 成本高强度铁素体钢，并已经开发了具有良 好 焊 接 性 能 和 断 裂 韧 性 且 能 够 用 于 #!"* 的 铁 素体钢。 过热器和再热器管材料需要具有高蠕变强
摘要：火力发电厂的效率很大程度上依赖于蒸汽温度和压力，这其中蒸汽温度是主要因素，而对蒸 汽温度起决定性作用的是锅炉用钢。在查阅大量文献资料的基础上，简要回顾了超超临界机组锅炉 用钢的发展历史，主要讨论了超超临界机组联箱和蒸汽管道、过热器 % 再热器 & 以及水冷壁等的服役 工况，国内外超超临界机组锅炉用钢的常用材料和使用特点，给广大技术人员在实际使用中作为参 考。 关键词：超超临界；参数；锅炉；用钢 中 图 分 类 号 ： 0>!!. 文献标识码： ? 文 章 编 号 ： ,""3 @ ,AA, % !""# & "$ @ ""#" @ "1
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 % ’( & 和 超 超 临 界 % )’( & 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。
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联箱和蒸汽管道材料
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
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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 &%% 和 &!!， 目 前 ， 在 &%% 和 &!! 基 础 上 又 开 发 出 了 能 工 作 在 ’($) 的 新 钢 种 ， 包 括 *+(、 *+(%、 *,-(- 、 *,-%! 和 &(%。 *+( 和 *+(% 在 ’"" . #"") 范 围 内 能 稳 定 工 作 超 过 %" ’ / 。 德国、比利时、荷兰、南非等国家，在蒸汽 温 度 ’0") ， 某 些 部 位 温 度 达 ’#" . ’1") 的 情 况 下 用 了 超 过 !" 2 。 在 某 些 特 殊 场 合 焊 接 和 焊后热处理过程中也存在问题。含 , 量的提 高 和 相 对 低 -3 温 度 将 促 进 焊 后 马 氏 体 的 形 成、高残余应力、冷裂纹和应力集中等。这 些问题能通过控制焊前和焊后热处理温度来 克服。 在 蠕 变 断 裂 强 度 明 显 优 于 *+(、 *+(% 和 *,-(- 的 改 进 型 (,4 合 金 &(% 是 用 于 ’(’) 温度下联箱和蒸汽管道的首选材料。近年来 欧 洲 的 超 临 界 机 组 大 部 分 采 用 &(% 作 主 蒸 汽 和再热蒸汽管道，还有用作集箱和其他的一 些 蒸 汽 管 道 。 欧 洲 人 发 现 &(% 的 焊 接 性 能 和 蠕 变 强 度 都 比 *+(% 钢 好 ， 广 泛 应 用 于 超 临 界 机组。 &(% 具 有 较 高 的 蠕 变 强 度 是 因 为 合 金 加 入 了 少 量 的 5 、 67 和 6 ， 促 使 碳 化 物 -!$ ,# 和 碳 氮 化 物 8 67 、 5 9 的 沉 淀 ， 而 且 通 过 -: 使 溶 解 能 力 增 强 。 更 多 研 究 想 证 明 &(% 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 ; $ ， 0 < ， 这 些 研 究 结 果 对 于 &(% 用于超临界机组的大型部件提供了依据。 日 本 =>?@A2 发 现 ( B %!,4 、 -: 、 5 、 67 钢 的 蠕 变 断 裂 强 度 能 够 通 过 用 C 替 换 -: 来 提 高 $" D ; ’ < 。 由 日 本 钢 种 6=#% 8 &(! 9 发 展 的 (,4 钢 和 由 &%!! 发 展 的 %!,4 钢 ， EF-G 推 荐 适 用 大型构件。在欧洲开发了另外一种含 C 的合 金 G(%%。 这 些 新 钢 种 在 #"") 的 强 度 比 &(% 高