火電廠鍋爐耐熱鋼的選材及發(fā)展

賀紅梅 李妍緣 王云霞

（鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 451460）

火電廠鍋爐要使用大量金屬材料，中高壓鍋爐機(jī)組受熱面管常用珠光體耐熱鋼及18-8 型粗晶粒奧氏體耐熱鋼制造。 隨著發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，大容量、高參數(shù)火電機(jī)組近年來(lái)大量投入電網(wǎng)，現(xiàn)在超(超)臨界機(jī)組已成為中國(guó)電力生產(chǎn)市場(chǎng)的主力機(jī)型。提高火力發(fā)電廠效率的最有效方法之一是提高鍋爐蒸汽溫度、壓力等參數(shù)。 而提高蒸汽參數(shù)遇到的主要難題是金屬材料的問題。

1 火電廠鍋爐受熱面管子與蒸汽管道常用的傳統(tǒng)鋼材及其特點(diǎn)

中、高壓鍋爐機(jī)組受熱面管子中，因水冷壁管和省煤器管溫度較低，一般采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼就能滿足需要，如20、20G 鋼，省煤器加裝防磨瓦。

過(guò)熱器管和蒸汽管道一般采用合金鋼管，常用的是1%-3%Cr 系列的低合金耐熱鋼以及18-8 型粗晶粒奧氏體耐熱鋼。 主要鋼種有：

（1）15CrMo 珠光體耐熱鋼， 對(duì)應(yīng)的美國(guó)鋼號(hào)有 T11、T12、P11、P12，德國(guó)的 13CrMo44；

（2）12Cr1MoV 珠光體耐熱鋼，對(duì)應(yīng)的美國(guó)鋼號(hào)有 T22、P22，類似的還有德國(guó)的10CrMo910；

（3）12Cr2MoWVTiB 珠光體耐熱鋼，也叫鋼研 102；

（4）傳統(tǒng)的18-8 型粗晶粒奧氏體耐熱鋼0Cr19Ni9、1Cr19Ni11Nb,對(duì)應(yīng)的美國(guó)鋼號(hào)TP304H、TP347H。

20、20 G，屬于低碳鋼，塑性、韌性好，焊接性好，在450℃以下有足夠的強(qiáng)度，在530℃以下具有滿意的抗氧化性，但長(zhǎng)期在450℃以上使用會(huì)發(fā)生珠光體球化和石墨化，降低蠕變極限和持久強(qiáng)度，引起爆管。

15CrMo （T11、T12、P11、P12）， 由于鉻元素提高了碳化物的穩(wěn)定性，有效阻止了石墨化的傾向，但珠光體球化及合金元素再分配現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致材料的熱強(qiáng)性下降，超過(guò)550℃時(shí)，熱強(qiáng)性下降明顯，抗氧化性變差。

12Cr1MoV（T22、P22），有較高的熱強(qiáng)性及持久塑性，580℃時(shí)表面形成致密氧化物保護(hù)膜，有足夠的抗氧化性、良好的焊接性，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)珠光體球化和合金元素再分配現(xiàn)象，降低熱強(qiáng)性。

12Cr2MoWVTiB(鋼研102)，有良好的綜合力學(xué)性能，但其熱強(qiáng)性對(duì)熱處理比較敏感，要求熱處理工藝嚴(yán)格控制，主要用于壁溫不大于600℃的過(guò)熱器管、再熱器管，很少用于蒸汽管道。

傳統(tǒng)的 18-8 型粗晶粒奧氏體耐熱鋼 0Cr19Ni9、1Cr19Ni11Nb（TP304H、TP347H），有很高的熱強(qiáng)性及抗氧化性，高的耐腐蝕性，使用溫度在650℃，但長(zhǎng)期使用易發(fā)生蒸汽側(cè)氧化皮剝落，造成小管徑彎頭堵塞爆管。

2 超（超）臨界鍋爐對(duì)材料的要求

超（超）臨界鍋爐對(duì)所用材料的熱強(qiáng)性、抗高溫腐蝕和蒸汽側(cè)抗氧化能力都有更高的要求，所以研發(fā)新型鍋爐用材料成為發(fā)展先進(jìn)機(jī)組的技術(shù)核心。目前各國(guó)都在積極研發(fā)新型耐熱材料，美國(guó)、日本都有較成熟的產(chǎn)品，我國(guó)近幾年新建的大型機(jī)組使用的材料大多依賴于從國(guó)外進(jìn)口。

3 超（超）臨界電站鍋爐采用的國(guó)外新材料

當(dāng)前國(guó)內(nèi)國(guó)際普遍采用和研制推廣的耐熱新鋼種有以下幾類：

3.1 新型細(xì)晶粒強(qiáng)韌化耐熱鋼 （含鐵素體耐熱鋼和馬氏體耐熱鋼）

T23：是在T22 基礎(chǔ)上，結(jié)合鋼研102 的優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)的，通過(guò)降低C含量和添加 W、 V、Nb、B 而獲得的低碳、多元、高強(qiáng)度、高韌性的貝氏體型耐熱鋼。 在600℃時(shí)強(qiáng)度比T22 高93%，與鋼研102 相當(dāng)，但含碳量更低，焊接性和加工性更好。

T24：與 T22 的化學(xué)成分相比較，增加了V、Ti、B，減少了含碳量，焊接性能良好。 T23、T24 鋼金相組織為貝氏體和馬氏體。 如果冷卻速度極端緩慢得到鐵素體和珠光體，力學(xué)性能會(huì)變壞。 在超臨界和超超臨界壓力鍋爐中，水冷壁的壁溫有時(shí)候會(huì)達(dá)到550℃。 碳素鋼不能滿足需要，T23、T24 成為水冷壁的最佳選材。

T91：是改良的9Cr-1Mo 型高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼，是一種綜合性能優(yōu)異的 9%Cr 鋼，該鋼通過(guò)降低含碳量，添加合金元素V 和Nb，控制N 和Al 的含量，使鋼具有高的沖擊韌性、熱強(qiáng)性和抗腐蝕性。此外，該鋼的線膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性好。主要用于亞臨界參數(shù)、超臨界參數(shù)鍋爐中壁溫不大于600℃的集箱及蒸汽管道，同時(shí)也是代替T22、P22 的理想材料，是改造現(xiàn)役機(jī)組高溫部件的理想替換材料。

T92：是在T91 的基礎(chǔ)上通過(guò)減少M(fèi)o、增加W 的含量，并控制B的含量得到的新型9%Cr 的馬氏體耐熱鋼， 力學(xué)性能與T91 相當(dāng)，焊接性能有所改善。600～650℃的蠕變強(qiáng)度有很大提高。許用應(yīng)力比T91高34%，強(qiáng)度是TP347H 的1.12 倍。有望在大型鍋爐再熱器、過(guò)熱器高溫段代替TP304H、TP347H 鋼。

T122：是一種12%Cr 的馬氏體耐熱鋼，添加2%的W、0.07%Nb 和1%的Cu，該鋼具有更高的熱強(qiáng)性和耐腐蝕性，含碳量的降低，焊接性能也進(jìn)一步得到改善，主要用于制造620℃以下的主蒸汽管道。

E911：也是一種9%Cr 的馬氏體耐熱鋼，是在T91 基礎(chǔ)上以1.0%的W 取代部分Mo，利用W、Mo 復(fù)合固溶強(qiáng)化，同時(shí)B 能夠起到填充晶間空位，強(qiáng)化晶界的作用，并且B 還能形成碳硼化合物，穩(wěn)定碳化物沉淀強(qiáng)化效果， 從而提高了鋼的熱強(qiáng)性。 E911 鋼中的含W 量低于T92，故E911 鋼的工藝性比T92 更好。

3.2 新型細(xì)晶粒奧氏體耐熱鋼

奧氏體鋼晶粒細(xì)化可以明顯提高其許用應(yīng)力。

SUPER304H：是TP304H 的改進(jìn)型，添加了3%的Cu、0.4%的Nb，由于細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)和細(xì)銅相的沉淀強(qiáng)化作用， 獲得了極高的蠕變強(qiáng)度，在600～650℃許用應(yīng)力比TP304H 高30%， 在高溫下具有優(yōu)良的機(jī)械性能、抗蒸汽氧化和耐熱腐蝕性能，可以在650℃以下長(zhǎng)期運(yùn)行。 是超（超）臨界鍋爐過(guò)熱器、再熱器的首選材料。

TP347HFG： 是TP347H 型不銹鋼通過(guò)特定的熱加工和熱處理工藝，使晶粒細(xì)化到8 級(jí)以上，經(jīng)細(xì)化晶粒后許用應(yīng)力提高了20%以上。也大大提高了材料抗蒸汽氧化的能力。

3.3 高鉻鎳奧氏體鋼

HR3C 鋼 (25Cr-20Ni-Nb-N 鋼)： 是日本研制出的一種新型不銹鋼。通過(guò)限制C 含量，并添加0.20%～0.60%的Nb，0.15%～0.35%的N，利用彌散析出的強(qiáng)化相，材料具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和抗高溫蒸汽氧化性能，是650℃超(超)臨界電站鍋爐中末級(jí)過(guò)熱器和再熱器的主要耐熱鋼管材之一。

NF709（20Cr-25Ni-Mo-Nb-Ti-N-B）：是在常規(guī)奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上，嚴(yán)格控制雜質(zhì)，對(duì)成分做了進(jìn)一步完善研制而成的，專用于超臨界機(jī)組鍋爐的新型奧氏體不銹鋼。 在該鋼中，Ni 含量達(dá)25%左右、Cr含量20%左右，有很高的持久強(qiáng)度及優(yōu)良的抗氧化性和耐蝕性；焊接性能與常規(guī)的18-8 不銹鋼相當(dāng)。

4 結(jié)論

我國(guó)的一些新建大型機(jī)組已經(jīng)開始使用以上幾類新材料，主要用于制造超（超）臨界壓力參數(shù)的大型發(fā)電鍋爐或循環(huán)流化床鍋爐的高溫過(guò)熱器、高溫再熱器、屏式過(guò)熱器的高溫段以及各種耐高溫、高壓或腐蝕的管件等。 其安全性和優(yōu)缺點(diǎn)還需要經(jīng)過(guò)多年的長(zhǎng)期運(yùn)行來(lái)檢驗(yàn)。 另外，我國(guó)在高溫新材料的研發(fā)上還相對(duì)落后，因此，了解目前國(guó)際上高溫材料的應(yīng)用及發(fā)展方向，可以借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，盡快開發(fā)出適合我國(guó)資源的優(yōu)質(zhì)耐熱鋼。

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