高壓加熱器封頭用13MnNiMoR鋼板的應(yīng)用研究

曹 健，趙佳鳴，蔣 華

(1.上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機廠，上海200090；2.中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036013)

0 前言

高壓加熱器(簡稱高加)是火力發(fā)電廠回?zé)嵯到y(tǒng)中的重要設(shè)備，利用汽輪機的抽汽加熱鍋爐給水，使給水達到所要求的溫度，從而提高電廠的熱效率，并有助于機組的安全運行。高壓加熱器停運時機組常會降低發(fā)電負荷10%～15%，因此電廠對高壓加熱器的穩(wěn)定運行均較為重視[1]。 高壓加熱器由管側(cè)和殼側(cè)兩大部分組成，管側(cè)部分的水室球形封頭材料常采用美國ASME牌號SA516Gr70鋼板或是GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中牌號Q345R鋼板。隨著國內(nèi)電力工業(yè)的迅速發(fā)展，高參數(shù)和大容量機組的數(shù)量在不斷增加，使得管側(cè)的壓力不斷增加，若繼續(xù)使用SA516Gr70、Q345R鋼板作為水室封頭材料，水室的厚度將大幅增加，部分鋼板設(shè)計厚度將超出標準厚度范圍，鋼廠難以軋制出超標準厚度的鋼板，且鋼板的力學(xué)性能難以保證。為了尋求更經(jīng)濟可靠的鋼板材料，逐步開始采用牌號13MnNiMoR的鋼板作為制造水室封頭的材料。

1 材料介紹

13MnNiMoR鋼板的制造標準為GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》，是從德國引進的一個鋼種，在德國其牌號為13MnNiMo5-4(BHW35)，屬于Mn-Mo-Ni系列的合金鋼，其主要合金元素的作用如下：

錳Mn：能夠提高鋼的強度，隨著鋼中Mn含量的增加，鋼的強度和硬度會升高。但是Mn容易導(dǎo)致晶粒粗大，增加鋼材的回火脆性，所以Mn含量控制在1.50%以下為宜。

鉬Mo：在固溶于鐵素體和奧氏體時，Mo可以顯著提高鋼的淬透性和鋼的再結(jié)晶溫度，提高回火穩(wěn)定性，調(diào)質(zhì)后可以得到細晶粒的索氏體，使韌性得到改善。

鎳Ni：主要可以提高鋼的塑性，改善鋼的低溫韌性，使鋼韌脆性轉(zhuǎn)變溫度降低。

鈮Nb：微量鈮可以在不影響鋼的塑性或韌性的情況下，提高鋼的強度。細化晶粒可以提高鋼的沖擊韌性并降低其脆性轉(zhuǎn)變溫度。

該鋼適用于工作溫度不超過400 ℃的各種焊接和承壓部件，水室封頭所在的高壓加熱器管側(cè)一般設(shè)計溫度不超過300 ℃。

與SA516Gr70和Q345R鋼板相比，13MnNiMoR材料具有更高的強度更低的脆性轉(zhuǎn)變溫度和更高的低溫沖擊韌性。三種材料的化學(xué)成分對比見表1，力學(xué)性能對比見表2。

表1 13MnNiMoR與SA516Gr70、Q345R化學(xué)成分對比 單位：%

表2 13MnNiMoR與SA516Gr70、Q345R力學(xué)性能對比

如表2所示13MnNiMoR鋼板的的抗拉強度和屈服強度遠高于SA516Gr70和Q345R，相應(yīng)溫度下的許用應(yīng)力也大于SA516Gr70和Q345R，同時0 ℃下進行的沖擊試驗的沖擊吸收能量平均值要求也高于SA516Gr70和Q345R。因此，選用13MnNiMoR材料制造水室封頭，在不降低材料韌性的情況下是可以大幅減薄封頭厚度的。設(shè)計人員根據(jù)目前1 000 MW單列高壓加熱器的設(shè)計參數(shù)，在選取相同管板材料的情況下進行設(shè)計，方案對比見表3。

表3 13MnNiMoR與SA516Gr70、Q345R設(shè)計方案對比

從上述3種參數(shù)條件下設(shè)計方案的對比來看，選用13MnNiMoR材料時，水室封頭的厚度較其余兩個牌號的鋼板更薄、重量也更輕。因此，綜合考慮3種材料的價格因素，在降低鋼板的制造難度提升鋼板性能的同時，采用13MnNiMoR鋼板作為水室封頭的材料還能夠帶來可觀的經(jīng)濟效益。

2 封頭的制造與使用

封頭采用熱壓成型，封頭的制造和驗收需要滿足GB/T 25198-2010《壓力容器封頭》的要求,成形后需要對封頭進行正火加回火熱處理來恢復(fù)性能。

在隨后的使用中，封頭需采用氣割加機加工的方式開3個孔，用于安裝進出口水管和人孔，采用角焊縫形式焊接。

最終，水室封頭與管板采用環(huán)縫焊接，這是高壓加熱器最重要且工作量最大的焊縫。焊后，需要對焊接接頭進行去應(yīng)力退火熱處理，一般采用620 ℃作為退火溫度。

3 13MnNiMoR鋼板的應(yīng)用

從上述封頭的制造工藝和使用看，水室封頭在整個過程中會有多次的熱循環(huán)處理過程，即熱壓+正火+回火+去應(yīng)力退火，熱處理及冷卻方式是影響材料性能的主要因素。因此，對于封頭壓制成形后的正火加回火熱處理以及焊接后的去應(yīng)力熱處理，需要取樣進行力學(xué)性能試驗以驗證熱處理效果?？紤]到封頭的后續(xù)制造，力學(xué)性能的試樣可取自開孔位置。

1 000 MW機組的高壓加熱器，其水室封頭用的鋼板厚度基本大于100 mm，部分參數(shù)較高的機組，封頭厚度達到150 mm，也是GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準中規(guī)定的13MnNiMoR鋼板的厚度上限。13MnNiMoR的交貨狀態(tài)為正火加回火。在正火熱處理后，通常會采用空冷的方式進行冷卻，但對于厚度較大的鋼板，空冷的方式會使內(nèi)部冷卻速率不足，導(dǎo)致碳化物沿鐵素體晶界析出，在后續(xù)高溫回火過程中碳化物再次長大，最終會使鋼板的沖擊韌性顯著降低[2]，尤其是在封頭壓制成形后，鋼板的形狀發(fā)生改變，更不利于冷卻。因此，為了避免由于冷卻速率不足導(dǎo)致封頭沖擊韌性達不到要求，根據(jù)實際使用經(jīng)驗，13MnNiMoR材料在正火后應(yīng)采取水冷的方式進行冷卻。選取了由同一軋制張鋼板制造的兩個封頭進行恢復(fù)性能熱處理，正火處理后采用不同冷卻方式，進行沖擊性能對比，結(jié)果見表4。

表4 沖擊試驗結(jié)果對比

選取某1 000 MW機組高壓加熱器的封頭，按GB/T 25198-2010《壓力容器封頭》的要求進行熱壓封頭，并進行正火加回火的恢復(fù)性能熱處理，正火后采用水冷。然后從其人孔處取樣，一組試樣在恢復(fù)性能的狀態(tài)下進行力學(xué)性能試驗，一組試樣先進行模擬焊后熱處理后進行力學(xué)性能試驗。試驗結(jié)果如表5所示。

表5 封頭力學(xué)性能試驗結(jié)果

從上表的力學(xué)性能數(shù)據(jù)對比可以看出，封頭試樣模擬焊后熱處理后的性能完全滿足標準要求。隨后，此封頭被安裝在國內(nèi)某電廠的高壓加熱器上，投入了正常的運行。

4 結(jié) 論

通過應(yīng)用13MnNiMoR鋼板材料來制造高壓加熱器的水室封頭，在保證性能的基礎(chǔ)上，大幅度降低水室封頭的厚度和重量。同時，由于材料厚度的減薄，也能帶來焊接等工作量的減少。但在應(yīng)用13MnNiMoR鋼板壓制封頭后，進行恢復(fù)性能熱處理時，應(yīng)注意正火后對于冷卻速度的控制，避免由冷卻速度不足而帶來的性能降低。