超临界、超超临界锅炉用钢

超临界、超超临界锅炉用钢
杨富1，李为民2，任永宁2
（1. 中国电力企业联合会，北京100761；2. 北京电力建设公司北京 100024 摘要：提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数即提高蒸汽的压力和温度，而提高蒸汽参数的关键有赖于金属材料的发展。

从发展超临界、超超临界机组与发展新钢种的关系以及超临界、超超临界锅炉对钢材的要求，概述了火电锅炉用钢的发展历程以及部分新钢种的性能。

关键词：临界、超超临界；锅炉；材料
2020年全国装机容量将达到9.5亿kW，其中火电装机仍然占70%，即今后17年将投产4.0亿kW左右的火电机组。

火电建设将主要是发展高效率高参数的超临界（SC）和超超临界（USC）火电机组。

从目前世界火力发电技术水平看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数，即提高蒸汽的压力和温度。

发展超临界和超超临界火电机组，提高蒸汽的参数对于提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。

表1给出了蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系［1］。

表1 蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系
超700℃机组超700 60 205
* 供电煤耗用标煤量统计，标煤量是一个统计折算标准，1千克标煤的发热量为7 000大卡。

从表1中的数据可以看出，随着蒸汽温度和压力的提高，电厂的效率在大幅度提高，供电煤耗大幅度下降，而提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材料耐高温、高压问题。

1 承压锅炉部件对钢材的要求
火电厂锅炉关键承压部件主要指水冷壁、过热器、再热器、联箱及管道等，这些承压部件运行在较为恶劣的工况条件下，是设计选用钢材关注的重要部位。

以下分类简要介绍超临界、超超临界锅炉的关键承压部件用钢要求。

1.1 水冷壁
水冷壁用钢一般应具有一定的室温和高温强度，良好的抗疲劳、抗烟气腐蚀、耐磨损性能，并要有好的工艺性能，尤其是焊接性能。

通常SC、USC锅炉都采用膜式水冷壁。

由于膜式水冷壁组件尺寸及结构的特点，其焊后不可能在炉内进行热处理，故所选用的钢材的焊接性至关重要。

要在焊前不预热、焊后不热处理的条件下，满足焊后热影响区硬度不大于360HV10、焊缝硬度不大于400HV10的有关规定（TRD201），以保证使用的安全性。

另外，水冷壁管内介质是汽液两相，管外壁又在炉膛燃烧时煤粉颗粒运动速度最快的区域，积垢导致的管壁温度升高和燃烧颗粒冲刷都是选用钢材要考虑的问题。

由此可见，水冷壁用钢的开发也是发展SC、USC锅炉的技术关键之一。

随着SC、USC锅炉蒸汽压力、温度的升高，水冷壁温度将提高，如在31 MPa/620℃的蒸汽参数下出口端的汽水温度达475℃，投运初期中墙温度为497℃，
垢层增后可升至513℃，热负荷最高区域的管子壁温可达520℃，瞬间最高温可达540℃。

这就需要合金含量更高，热强性更好的钢材。

为了满足这种高参数锅炉水冷壁用钢的要求，在SA213T22钢的基础上，开发了2种新钢材T23（HCM2S）和T24（7CrMoVTiB10-10），二者都具有良好的焊接性，在焊前不预热焊后不热处理的条件下（壁厚≤8mm），焊后焊缝和热影响区的硬度均低于360HV10。

金属壁温可达600℃，是蒸汽温度620℃以下锅炉水冷壁的最佳用钢［2］。

1.2 过热器、再热器
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及抗飞灰冲蚀性能、管子内壁抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷热加工工艺性能和焊接性能。

过热器、再热器管的金属壁温比蒸汽温度高出25℃～39℃（我国规定为50℃）。

在燃煤含硫量很低、烟气腐蚀性很小的条件下，从蠕变强度角度考虑，SC、USC锅炉的过热器、再热器，当壁温≤600℃时，可选用T91钢；当壁温≤620℃时，可选用T92、T122、E911钢；当壁温≤650℃时，可选用NF12、SAVE12钢。

采用含硫量高腐蚀性大的燃煤时，当壁温≥600℃时（蒸汽温度≥５６６℃），过热器、再热器应选择TP304H、TP321H、TP316H、TP347H奥氏体热强钢。

而Super304H和TP347HFG两种细晶奥氏体热强钢蠕变强度高，抗烟气腐蚀和抗蒸汽氧化性能更好，在超超临界锅炉过热器、再热器用钢中得到广泛的应用。

当壁温达700℃时，过热器、再热器只能选用高铬热强钢NF709、SAVE25和HR3C等。

1.3 联箱与管道
由于联箱（末级过热器、末级再热器出口联箱）与管道（主蒸汽管道、导汽和再热蒸汽管道）布置在炉外，没有烟气加热及腐蚀问题，管壁温度与蒸汽温度相近。

这就要求钢材应具有足够高的持久强度、蠕变强度、抗疲劳和抗蒸汽氧化
性能，还要具有良好的加工工艺和焊接性能。

由于铁素体热强钢的热膨胀系数小、导热率高，在较高的启停速率下，不会造成联箱、管道壁部件严重的热疲劳损坏，所以铁素体热强钢是联箱、管道的首选钢材。

随着SC、USC锅炉蒸汽温度和压力参数的提高，要求使用热强性高的钢材，这样既可以提高联箱和管道运行的安全性，又可以减少因管壁过厚引起热应力的增加以及给加工工艺带来的困难。

所以，SC、USC锅炉的联箱和管道，当壁温
≤600℃时，选用P91钢；当壁温≤620℃时，选用P92、P122和E911钢；当壁温≤650℃时，选用NF12和SAVE12钢。

2 锅炉用钢的发展历程
要提高大型火电机组的效率，要发展SC、USC火电机组，就必然要促进大机组用钢的研究和开发，电力技术的发展，在很大程度上取决材料技术的发展。

提高锅炉蒸汽温度比提高锅炉蒸汽压力对机组效率的影响更为显著。

若锅炉蒸汽温度参数不提高，依靠提高锅炉压力参数提高机组效率，就意味着必然要选用高温持久强度和允许使用温度较低的热强钢，如：12Cr1MoV、10CrMo910、
15Cr1Mo1V等，当锅炉压力参数从140 kg／cm2提高到170 kg/cm2乃至260 kg ／cm2时，就必须使管道的壁厚大大增厚，石洞口二厂超临界600 MW
（T=538/566℃，P=25.4 MPa）主汽管选用P22，管子规格为Ф654mm×136.5 mm。

由于管道壁厚的增加，焊接、热处理、弯管、探伤等工艺都增加了更多的困难，比如：必须严格控制焊接线能量、采用多层多道焊、中间热处理、二次（甚至三次）探伤、热处理升降温速度的控制等等。

同时还会因管壁过厚引起热应力增加，导至管道的热疲劳损伤。

此外，当选用大壁厚管道时，管道和保温材料的
重量大幅增加，从管系、支吊架到厂房架构强度与刚度都是设计部门要特别考虑的问题。

就目前世界各国发展情况看，锅炉用钢的发展可以分为两个方向，一是铁素体热强钢的发展，另一是奥氏体钢的发展。

2.1 铁素体钢
铁素体钢的发展可以分为两条主线，一是纵向的主要耐热合金元素Cr成分逐渐提高，从2.25Cr到12Cr；二是横向的通过填加V、Nb、Mo、Ｗ、Ｃo等合金元素，６００℃ 105 h的蠕变断裂强度由35 MPa级向60、100、140、180 MPa 级发展。

图1给出了锅炉铁素体热强钢的现状及发展趋势。

2.1.1 低合金热强钢
20世纪50年代，电站锅炉钢管大多采用珠光体低合金热强钢，其含Cr≤3％，含Mo≤1%、其典型钢种及最高使用壁温为：15Mo≤530℃；12CrMo≤540℃；
15CrMo≤540℃；12Cr1MoV≤580℃；15Cr1Mo1V≤580℃；10CrMo910≤580℃。

当壁温超过580℃时，一般都使用奥氏体热强钢TP304、TP347（≤700℃），然而由于其价格昂贵、导热系数低、热膨胀系数大、应力腐蚀裂纹倾向等问题存在，不可能被大量采用，故世界各国从20世纪60年代初开始进行了长达30多年的试验研究，开发适用于温度参数为580℃～650℃范围内的锅炉用热强钢，即改进型的9Cr-1Mo钢和12％Cr钢的研究。

而当壁温超过650℃时，目前还只能选用奥氏体热强钢。

2.1.2 EM12钢的开发
20世纪50年代末，比利时Liege冶金研究中心研究了超级9Cr钢，其化学成分为9Cr-2Mo，并添加了Nb、V等合金元素，材料牌号为EM12。

法国瓦鲁瑞克公司生产出EM12的过热器管。

1964年，法国电力公司批准EM12钢管可用于620℃
的过热器和再热器，代替过去使用的不锈钢管。

但是，由于该钢种是二元结构，冲击韧性差，后来未得到广泛应用。

部分锅炉用铁素体钢的化学成分见表2。

图1 锅炉的铁素体钢的现状及发展趋势
表2 部分锅炉用铁素体钢的化学成分
钢号
标准化学成分/%
ASME JIS C Si Mn Cr Mo W Co V Nb B N
Other
s 2Cr
T22(2.25Cr-1Mo) T22 STBA24
0.1
2
0.3
0.4
5
2.25 1.0 - - - - - - -
HCM2S(2.25Cr-1.6WVNb) T23
STBA24J
1
0.0
6
0.2
0.4
5
2.
25
0.1
1
.6
-
0.2
5
0.0
5
0.0
03
- - 9Cr
T9(9Cr-1Mo) T9 STBA26
0.1
2
0.6
0.4
5
9.
1.
- - - - - - - HCM9M(9Cr-2Mo) - STBA27
0.0
7
0.3
0.4
5
9.
2.
- - - - - - - T91(9Cr-1MoVNb) T91 STBA28
0.1
0.4
0.4
5
9.0 1.0 - -
0.2
0.0
8
-
0.0
5
- NF616(9Cr-0.5Mo-2WVNb
)
T92 STBA29
0.0
7
0.0
6
0.4
5
9.
0.5
1
.8
-
0.2
0.0
5
0.0
04
0.0
6
- Tempa1oy
F-9(9Cr-1MoVNb)
- -
0.0
6
0.5
0.6
9.
1.
- -
0.2
5
0.4
0.0
05
- -
EM12(9Cr-2MoVNb) NFA4921
3
-
0.1
0.4
0.1
9.
2.
- -
0.3
0.4
- - -
12C r
HT91(12Cr-1MoV)
DIN
X20CrMoV1
21
-
0.2
0.4
0.6
12
.0
1.
0-
-
0.2
5
- - - 0.5Ni HT9(12Cr-1MoWV)
DIN
X20CrMoWV
121
-
0.2
0.4
0.6
12
.0
1.
0.5 -
0.2
5
- - - 0.5Ni
HCM12(12Cr-1Mo-1WVN
b)
-
SUS410J
2TB
0.1
0.3
0.5
5
12
.0
1.
1
.0
-
0.2
5
0.0
5
-
0.0
3
-
HCM12A(12Cr-0.4Mo-
2WCu-VNb)T122
SUS410J
3TB
0.1
1
0.1
0.6
12
.0
0.4
2
.0
-
0.2
0.0
5
0.0
03
0.0
6
1.0
Cu NF12(11Cr-2.6W-2.5C
oVNbB)
-
0.0
8
0.2
0.5
11
.0
0.2
2
.6
2
.5
0.2
0.0
7
0.0
04
0.0
5
-
SAVE12(11Cr-3W-
3CoVNb-TaNdN)
-
0.1
0.3
0.2
11
.0
-
3
.0
3
.0
0.2
0.0
7
-
0.0
4
0.07T
a
0.04N
d
2.1.3 钢102的开发
20世纪60年代起，中国按原苏联的耐热钢系列研究出了钢102
（12Cr2MoWVTiB），推荐使用温度为620℃，经长期使用总结的经验证明，其使用温度以低于600℃为宜。

钢102主要用于壁温≤600℃的过热器、再热器管。

2.1.4 T23（HCM2S）、T24钢的开发［2］
HCM2S是在T22（2.25Cr-1Mo）钢的基础上吸收了钢102的优点改进的，600℃时的强度比T22高93％，与钢102相当，由于C含量降低，加工性能和焊接性能优于钢102，可以焊前不预热，焊后不热处理（壁厚≤8mm）。

该钢已获得ASME 锅炉压力容器规范CASE2199认可，被命名为SA213-T23。

目前HCM2S已做出大口径管，性能达到小口径管的水平。

T24（7CrMoVTiB10-10）钢是在T22钢的基础上改进的，与T22钢的化学成分比较，增加了V、Ti、B含量，减少了C含量，于是降低了焊接热影响区的硬度，提高了蠕变断裂强度。

T24 也可以焊前不预热、焊后不热处理（壁厚≤8mm）。

T23、T24钢是超临界、超超临界锅炉水冷壁的最佳选择材料；并可应用于壁温≤600℃ 过热器、再热器管、P23可以用于壁温≤600℃的联箱。

2.1.5 F11、F12的开发
20世纪60年代末，德国研究开发了12％Cr钢，F12（X20CrMoV121）钢和
F11（X20CrMoWV121）钢（化学成分见表2.1），该钢至1979年正式纳入DIN17175标准。

主要用于壁温达610℃的过热器、壁温达650℃的再热器以及壁温为
540~560℃的联箱和蒸汽管道，但其含碳量高，焊接性差。

2.1.6 新型铁素体热强钢T91/P91钢的开发
美国能源部委托橡树岭国家试验室（ORNL）与燃烧工程公司（CE）联合研究用于快速中子增殖反应堆计划的钢材，开始改进原有的9Cr1Mo钢，以研究开发一种新的9Cr1Mo钢，要求这种新钢种综合早期9Cr和12Cr钢的性能，并具有良好的焊接性。

到1980年测试了超过100种成分的试验样品，最后确定为改良型9Cr-1Mo钢，即91/P91钢，经试验该钢在593℃／105h条件下的蠕变断裂强度达到100 MPa，韧性也较好，这种改进的9Cr-1Mo钢优于EM12和F12。

1983年美国ASME认可了这种钢为T91、P91，即SA213-T91、SA335-P91。

T91钢可用于壁温≤600℃的过热器、再热器管，P91钢可用于壁温≤600℃的联箱和蒸汽管道。

2.1.7 T92/P92、T122/P122钢的开发
20世纪90年代初，日本在大量推广T91、P91的基础上，发现当使用温度超过600℃时，T91、P91已不能满足长期安全运行的要求。

在调峰任务重的机组，管材的疲劳失效也是个大问题，当管材在高温下长期运行时，大量蠕变空洞出现之前的积累损伤判断成为更为重要的问题。

日本在开发新的大机组锅炉用钢方面做了大量的试验研究工作，目前已生产出商品钢管，并已得到ASME标准的认可。

日本在大型锅炉高温部件上已采用了这些新的钢种，例如SA213-T92（NF616）、SA335-P92（NF616）、SA213-T122（HCM12A）、SA335-P122（HCM12A）新钢种。

图2给出了HCM12A、NF616、T91钢许用应力与温度的关系曲线。

新材料的应用有效降低了管壁厚度，减少了材料的用量并使管系布置条件得到了改善，图3对主蒸汽管采用P122、P91和P22的3种材料进行了比较。

图2 许用应力与温度的关系曲线
图3 主蒸汽管选用材料的比较
2.1.8 NF12、SAVE12新型铁素体热强钢的开发［3］
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δ铁素体的形成。

图4给出了几种典型的铁素体热强钢的蠕变断裂强度。

可以看出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NF12钢一定能用于34.3 MPa、650℃的超超临界锅炉中。

图4 典型的铁素体热强钢蠕变断裂强度
2.2 奥氏体钢
奥氏体钢的发展进程见图5。

表3给出了用于过热器和再热器的奥氏体钢的化学成分。

表中按含Cr量分为4类：即15Cr、18 Cr、20～25Cr和高Cr。

这些钢种正在发展过程中，最初添加Ti、Nb，是从抗腐蚀的角度来提高钢的稳定性。

然后在保持稳定的前提下，适当降低Ti和Nb的含量，以提高蠕变强度。

而不是提高抗腐蚀性，然后加Cu，以铜富相的沉积和热处理改进来提高沉积强化，进一步趋势是添加0.2%N和一定量的W，以增强固溶体的强度。

图5 锅炉的奥氏体钢的发展进程
2.2.1 新型细晶奥氏体热强钢Super304H的开发［4］
Super304H是TP304H的改进型，添加了3％Cu和0.4％Nb获得了极高的蠕变断裂强度，600～650℃许用应力比TP304H高30%，这一高强度是奥氏体基体中同时产生NbCrN、Nb（N、C）、M23C6和细的富铜相沉淀强化的结果。

运行2.5年后的性能试验表明该钢的组织和力学性能稳定，而且价格便宜，是超超临界锅炉过热器、再热器的首选材料。

2.2.2 TP347HFG的开发［5］
TP347HFG钢是通过特定的热加工和热处理工艺得到的细晶奥氏体热强钢。

虽然TP347H钢经高温下正常化固溶处理，其许用应力在18Cr-8Ni钢中最高，然而，高的固溶温度使这种钢产生粗晶粒结构，导致蒸汽侧抗蒸汽氧化能力降低。

现已开发出一种TP347H 钢管晶粒再细化工艺。

此工艺即使在较高的固溶处理时也能获得细晶粒，晶粒的细化是通过在固溶处理工艺中碳化铌的沉淀来完成的。

通过这个工艺处理的管子不但有极好的抗蒸汽氧化性能，而且比TP347H粗晶钢的许用应力高20%以上。

TP347HFG钢的应用对降低蒸汽侧氧化是一个有前途的对策，已被广泛应用于超超临界机组锅炉过热器、再热器管。

表3 部分奥氏体钢的化学成分
2.2.3 HR3C（ＴＰ３１０NbＮ）钢的开发［6］
HR3C在日本JIS标准中的材料牌号为SUS310JITB，在ASME标准中的材料牌号为ＴＰ３１０NbＮ。

HR3C钢是TP３１０热强钢的改良钢种，通过添加元素铌（Nb）和氮（Ｎ）使得它的蠕变断裂强度提高到了181MPa，正是由于该钢种的综合性能较之TP300系列奥氏体钢中的TP304H、TP321H、TP347H和TP316H的任何一种都更为优良，所以，在TP347H热强钢乃至新型奥氏体热强钢Susper304H 和TP347HFG钢不能满足向火侧抗烟气腐蚀和内壁抗蒸汽氧化的工况下，应选用HR3C热强钢。

3 结束语
超临界和超超临界机组是当代世界火力发电的共同发展趋势，锅炉是火电机组的关键设备。

超临界和超超临界锅炉用钢的选择应考虑其能满足工况条件要求的必备性能，如高温许用应力、高温蠕变断裂强度、抗高温疲劳、抗高温腐蚀和抗蒸汽氧化的能力等，同时，还应考虑这些新型钢材的相关性能，如冷、热加工性能等，特别是焊接性能。

选择性价比最佳的钢材，降低造价，对加快超临界、超超临界机组的发展，确保发电设备的安全运行至关重要。

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