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1、,T23、T24钢的性能与焊接 （在神华国华集团08年监督会议专题报告）,江苏方天电力技术有限公司 2008年11月,T23、T24钢的性能与焊接 目 录,一、 T23、T24钢的性能二、 T23、T24钢的应用现状三、 T23、T24钢应用中发现的问题及其原因分析和建议,一、 T23、T24钢的性能,1,T23、T24钢的性能,1.1 T23、T24钢设计的意义,在普通的超临界机组(参数为25.0MPa、540540或25.0MPa、540566)中，水冷壁出口的汽水温度约为420，正常情况下它的金属温度可能达到450。通常选用T1、T11和T12等均可以满足使用要求。可是超超临界(USC)
2、锅炉水冷壁的运行压力和温度都有明显的提高。例如在31MPa620蒸汽参数的USC锅炉水冷壁出口端的汽水温度达475。在投入运行的初期.中墙部位的管壁温度达到497。长期运行后，由于管壁形成垢层，管壁温度可升至513。而热负荷最高区域的管子壁温和接近出口部分的管壁温度可达520，瞬间最高温度甚至可达540。因此，以往在亚临界和普通的超临界机组中采用的钢材已不能满足要求，需要采用合金含量更高，热强性更好的钢材。 除此以外，这些锅炉的水冷壁大多是膜式壁，由于锅炉容量增大，为了提高效率，希望增大受热面积，为此需要减小管径，这样就使水冷壁变成为更大更薄的结构。如果仍采用传统的铁素体贝氏体耐热钢，如AST
3、M A213T12(13CrMo44)和ASTM A213T22(10CrMo910)来制作，焊后就需要进行焊后热处理。对这样大而薄的平面形构件实施热处理不仅难度很大，而且构件在受热后极易产生扭曲变形，且这种扭曲变形是极难矫正的。因此，从工艺要求出发.需要采用焊接以后可以不进行热处理的钢材来制作。可见，用于制作USC锅炉水冷壁的材料不仅应该在550570下具有足够的蠕变断裂强度，而且要求焊前不用预热、焊后不必热处理的焊接性良好的钢材。T23P23和T24钢和T24P24钢就是适应这种要求的材料。,3,1.3 T23、T24钢的化学成分,1,T23、T24钢的性能,目前可见到的T23和T24钢的
4、标准、钢号和它们相应的化学成分见下表：,注：表中n.s.表明无规定。,1,T23、T24钢的性能,由上表中成分上可以看到，T23钢与我国在20世纪60年代开发的钢102 (12Cr2MoWVTiB)有近似的合金系统和含量，它是在T22钢的基础上加入了钨，减少了 钼，把碳含量降低到了0.040.10。此外，再添加少量的钒、铌、氮和硼等微合金化元素。而T24钢与T22钢相比，也是适当减少了含碳量.加入了微合金化元素钒、钛、硼等。除了这些变动以外，两种钢的硫、磷等杂质含量都被明显地限制和降低了。这样成分的钢再经过相应的成材加工和热处理后，就可获得综合性能良好、能够满足制作USC锅炉水冷壁要求的钢材。
5、它们在600时的蠕变断裂强度达到T22钢的1.8倍。因为降低了含碳量和杂质含量，使其焊接性大大提高，允许焊前不预热，焊态下热影响区的最高硬度也在350HV以下。由于这些优点，使这类钢除了能很好地满足USC锅炉膜式水冷壁的要求以外，T24P24还可以在500550范围内作为9Cr钢厚壁蒸汽管道的代用材料，同时可以作为现有老机组部件的更换材料。 T23和T24钢都是在正火+回火的调质状态下供货。T23钢的正火温度为106010，T24钢的正火温度是100010。实践证明，当钢材的厚度超过10mm时，需要加大正火冷却速度(水冷却)，以保证最佳的力学性能。T23和T24钢正火后的回火温度分别为7601
6、5和75015。,1.4 T23、T24钢的物理性能,T23、T24钢的主要物理性能见下表：,从上表的数据可以看出T23、T24钢具有相似的热传导性和线膨胀系数。如果把T22、T91和TP304的导热率、线膨胀系数与T23、T24钢比较，得到下图。从下图和上表的数据可以看到很有意思的现象：虽然T24钢的合金元素总量比T22钢只少了0.1，而T23钢的合金总量比T22钢还高出1以上，可是它们的线膨胀系数都比T22钢小。不仅如此，T24钢的热传导性还明显好于T22钢。较小的线膨胀系数和较高的导热系数。对于制作锅炉受热面构件都是有利的。,T22、T23、T24、T9l及TP304钢的性能比较 (a)
7、热传导性的比较；(b)线膨胀系数的比较,对上面三幅T22钢、T23钢、T24钢的CCT图进行比较，可以发现以下几点：1、T23钢的Acl为810，Ac3为980。通常焊接条件下，空冷至500以下将发生贝氏体转变。如果冷却得较快，得到的组织可以为贝氏体+马氏体，硬度为300350HVl0。T24钢的Acl为815，Ac3为960，可以看到，它的Ms温度在460左右，Mf温度在250300。通常焊接条件下冷却得到的组织也是贝氏体+马氏体，硬度为300350HVl0。T23钢、T24钢在极端的缓慢冷却条件下，都会出现高温转变组织(铁素体+珠光体)，这是所不希望的，它将破坏钢的各项力学性能。2、虽然T
8、22钢、T23钢、T24钢发生贝氏体转变的温度区域差不多都是在500以上，如果用相同的冷却速度从Ac3冷却下来，T22钢的硬度远比T23和T24的高。这立即可以联想到是由于含碳量不同所产生的效果，从一个侧面反映了T23、T24钢比T22钢具有更低的延迟裂纹敏感性。此外，T22钢高温转变的孕育期明显比T23和T24的短，意味着T22钢较容易出现奥氏体的高温转变产物。而T23和T24钢由于添加了B、N等元素，明显地延长了孕育期，使它们较不容出现奥氏体的高温转变产物，这反映了T23和T24钢会具有比T22钢更好的力学性能。,1.5 T23、T24钢的主要常温力学性能,ASME标准提供的T23和T24
9、钢的主要常温力学性能见下表。T24钢的常温强度和硬度比T23钢的略高一些。,T23、T24钢的主要常温力学性能标准规定值,日本三菱重工和住友公司对T23(HCM2S)钢不同产品的常温力学性能进行了测试。测试产品的规格及测试结果见下表。测试结果不但说明了这些产品的常温力学性能全面达到了标准规定值，并且还有较多的裕量。数据还说明，成材加工时变形量大的小径管和板材，其强度和韧性相对更高些。,HCM2S(T23)钢测试材料规格,HCM2S(T23)钢结果测试,上面左图表示壁厚小于10mm的小径管和壁厚大于10mm的大径管以不同的冷却速度正火后得到的冲击韧度。图中除了空气中冷却的P24钢(壁厚l0mm)
10、以外，所有试样的脆性转变温度都在一40左右，它们的上平台值都在250Jcm2以上。空气中冷却的P24钢，虽然其上平台值也在250Jcm2以上，但其转变温度却升到了零上40左右，这些试验说明了正火时的冷却速度非常重要。正火时，较快的冷却速度能获得马氏体和下贝氏体组织，回火后获得高的韧性，脆性转变温度低：反之，若正火时的冷却速度不足，其脆性转变温度就会明显上升。这一现象可以推理为：由于正火时的冷却速度不足，导致出现了上贝氏体类组织，从而大幅度提高脆性转变温度。上面右图表示的是T23钢弯管后的正火条件对脆性转变温度和材料韧度的影响，也反映出了和左图相同的特性，这一点是使用这类钢时必须注意的。在使用这
11、类钢制造构件时，需要对钢管进行弯曲加工。弯曲加工后，如果需要进行正火+回火处理.就应注意正火时的冷却速度。尤其是当对壁厚大于10mm的大径管进行弯管加工后，更需特别注意确保其正火时的冷却速度。建议在正火时采用油冷或鼓风加速冷却。左图的数据还提示出，在焊接这些钢的时候，应保证足够的冷却速度，特别要设法保证厚壁构件焊接时的冷却速度。为此，需要注意限制层间温度不得过高。从这些特性出发，很有必要通过实践逐步建立焊接接头的韧度和焊后冷却速度之间的定量关系；也就是建立接头韧度和层间温度、焊接热输入、工件壁厚之间的定量关系。,1.6 T23、T24钢的高温力学性能,图1给出了从室温到650的不同温度下T23
12、、T24钢的短时拉伸性能。T24钢具有最高的0.2，在500以上才和T23钢的0.2渐趋于一致。但两者都远高于T22钢的水平，在550时，它们的0.2还要高于T22钢150MPa左右。 图2和图3分别为T23、T24钢从常温到700间的不同温度下短时拉伸试验时的伸长率和端面收缩率。随着温度的升高，在常温到550的范围内。T23、T24钢的延伸率没有明显的变化或升高。,图4所示为T23P23、T24P24、T22P22和T9lP91钢在500600温度区间10万h的蠕变断裂强度，很直观地给出了这四种钢在这个温度范围内的蠕变断裂强度，T9lP91钢在这个温度区间内始终是最优的，而T22P22钢则比
13、其他三种钢低很多。有意义的是T23P23和T24P24钢之间的差别，可以看到：在580以下时，T24P24钢的蠕变断裂强度比T23P23钢高；与此相应，两种钢的许用应力也有相应的差别(表1和表2分别列出两种钢的许用应力，图5则是ASNE标准的许用应力曲线)。尤其是在500550C温度区间内，T24P24钢的蠕变断裂强度高出T23P23钢2030MPa。但是在温度超过570以后，T23钢的许用应力反而高于T24P24钢。由于两种钢开发设计的目标使用温度就是500550，因此这个差别对使用者选择材料和计算时都很有意义。,表1 ASME标准T23钢许用应力值 (MPa),表2 T24钢的许用应力值
14、(MPa),HCM2S（T23）钢在不同温度下10万h蠕变断裂强度,日本三菱重工和住友公司采用已经运行1年和3年的HCM2S(T23)钢进行蠕变断裂试验，并与没有经过运行的HCM2S钢做对比，如图所示。运行3年，相当于在550600温度下，时效约2万h。从给出的结果看，试样的测试结果仍然落在原始材料相应断裂应力和时间的分散带内，说明在上述条件下运行过的材料还不至于构成运行以后材料蠕变断裂强度曲线的明显改变。,冷变形对蠕变断裂强度的影响,试验了冷作变形对蠕变断裂强度的影响，如图所示。可以看到，当冷变形量超过20以后，会对蠕变断裂强度有明显的降低作用。因此，在冷变形量达到20以后。为了保证蠕变断裂
15、强度，就必须在弯曲加工以后进行正火加回火处理。,1.7 T23P23、T24P24钢的时效性能,图1、图2分别表示了在550600下运行3年以后HCM2S钢的强度和硬度变化情况，图中也列出了T22和TP347H的结果，在550600的范围内运行3年的过程中，HCM2S(T23P23)钢的强度和硬度没有实质性的变化。可是对它的冲击韧度影响明显。,图3是在550600下运行3年过程中T23P23钢冲击韧度的变化情况。其冲击韧度从运行前的250Jcmz降到l万h后的120Jcm2。继续又降低到2万h后的100Jcm2左右。在1万h以后降低的速率变小，而且在2万h后的韧度还能保持在100Jcm2左右。
16、图4表示对T23P23钢时效倾向的进一步试验结果。图中结果说明，T23P23钢的时效倾向在550时最为明显，温度升高到600、650时，时效倾向就消失了。在550时的时效过程特点是：在开始运行的3000h内，时效发生得最剧烈，在随后的时间里，时效引起的韧度降低速率就开始按指数递减，1万h以后几乎已经稳定.看不到韧度再有明显的降低。如果按照第三章所描述这类钢的时效规律的话，则长期使用后钢的韧度应该不至于降低到危险的程度。目前的T23钢，还只用于制造小径管构件，且时效后的韧性还不是很低。因此还无需过分担忧。但是T23P23钢的目标使用温度毕竟恰好是500550或570C。因此.对于制造大直径厚壁构件的P23钢来说，应对它的时效倾向引起注意。,与T23P23钢相比，T24P24钢的时效倾向小得多。图5表示了在550下长期时效过程中T24P24钢的力学性能变化情况。时效1万h的T24P24钢的强度没有什么变化，只有在1万h以后强度才有降低的趋势，不过降低的速度很慢，它的b和0.2在经过5万6万h后共降低了30MPa左右。与此同时，伸长率没有明显变化。经过5万6万h时效以后
