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1、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（SQ和超超临界（US
2、C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、供电煤耗关系机组类型蒸汽压力/Mpa蒸汽温度/c电厂效率/%供电煤耗*/kW h中压机组3.543527460高压机组9.051033390超高压机组13.0535/53535360亚临界机组17.0540/54038324超临界机组25.5567/56741300高温超临界机组25.0600/60044278超超临界机
3、组30.0600/600/60048256高温超超临界机组30.070057215超700c机组超70060205*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
4、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 US渊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
5、USC禺炉的技术关键之一。随着SC USC禺炉蒸汽压力、温度的升高，水冷壁温度将提高，如在 31 MPa/620c的蒸汽参数下出口端的汽水温度达 475c ,投运初期中墙温度为497C ,垢层增后可升至513C,热负荷最高区域的管子壁温可达 520C,瞬间最高温可达540C。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SA213T221冈的基础上，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w 8mm ,焊后焊缝和热影响 区的硬度均低于360HV10金属壁温
6、可达600C,是蒸汽温度620c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 C39c （我国规定为50 C）。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，SCUSC禺炉的过热器、再热器，当壁温w 600c时，可选用T91钢；当壁温w 620c 时，可选用T92、T122、E911钢；当壁温W 650c时，可选用NF12
7、 SAVE12I冈。采用含硫量高腐蚀性大的燃煤时，当壁温A 600c时（蒸汽温度A 5 6 6 C）, 过热器、再热器应选择 TP304H TP321H TP316H TP347HM氏体热强钢。而 Super304H和TP347HFGW中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700c时，过热器、再热器只能选用高铭热强钢 NF709 SAVE2序口 HR3格。 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
8、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禺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禺炉的联箱和管道，当壁温W 600c时，选用P91钢；当壁温W 620c时，选用P92、P122和E911钢；当壁 温w 650c 时，选用 NF1
9、2和 SAVE12S。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 SG USC/C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 10CrMo91015Cr1MolV?,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 C
10、, P=25.4 MPa 主汽管选用 P22,管子规格为 654mme 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。止匕外，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
11、，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;二是横向白通过填加 V、Nb Mq W、C o等合金 元素，6 0 0 c 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CrW3%, 含Mo 1%其典型钢种及最高使用壁温为：15Moe 530c ； 12CrMoC 540 C ； 15CrMo 540C ; 12Cr1MoV； 580C; 15Cr1Mo1V； 580C ; 10CrMo91(K
12、580 C o当壁温超过580c时，一般都使用奥氏体热强钢 TP304 TP347( V等合金元素，材料牌号为EM12法国瓦鲁瑞克 公司生产出EM12勺过热器管。1964年，法国电力公司批准EM1邸管可用于620C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210,11 600的蟠变归果强度第二阶AU0 MPJtATi fpji2 25rdMo4VZUCf-IMoVMyNb j215CM.6MVNb1U0 MPJ耶AS1I T?、R5s【BAMJHiiI” ri.a9Cr-lMuM9Ci 2MoVKb9C
13、i-lMcVNbUMI2 (NFA492BASM I T9 (STBA26)1cinpdll3J I -(ilCr12pliini7cd,-1li*! whVI I12Cr-IMoV12CniMoWVIASMET91 STBA2S|MM储SME n25 TB八期. iXr-WfflHNiVKbl2Cr-IMn-IWVNb1 MuXIB I ?MI2IXT-ii.5M2WCuVNbl?C.r-WCoVNbi uninni L 【M k、MU MnVIJlHDIKX,rMuWVJhHCMI2HCMI2AiSLMLUJJIB) jlASMLU生 驯Z】3第USAVFI2L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标准化学成分/%钢 号ASMEJISCSiMnCrMoWCoVNbBNOther s2CrT22(2.25Cr-1Mo)T22STBA240.120.30.452.251.0-HCM2s(2.25Cr-1.6WVNb)T23STBA24J0.00.20.452.250.11.6-0.250.050.003-T9(9Cr-1Mo)T9STBA260.120.60.459.01.0-HCM9M(9Cr-2Mo)-STBA27
