神華國華壽電一期工程620℃鍋爐受熱面高溫鋼材應(yīng)用研究

神華國華壽光一期項(xiàng)目鍋爐出口蒸汽參數(shù)為29.4MPa(a)/605/623℃，對(duì)應(yīng)汽機(jī)入口參數(shù)為28MPa(a)600/620℃。相對(duì)與常規(guī)參數(shù)，本項(xiàng)目鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)的變化主要體現(xiàn)在過熱器出口壓力的提升和再熱蒸汽溫度的提升。過熱蒸汽壓力提升至29.4MPa。壓力提升對(duì)材料本身沒有特殊需求，可如通過增大鍋爐受壓件的材料壁厚和規(guī)格來適應(yīng)?？梢哉J(rèn)為，過熱蒸汽壓力的提升對(duì)鍋爐的影響較小。相對(duì)而言，再熱蒸汽溫度由600℃提升至620℃，我們需要更加重視材料的安全性和運(yùn)行的可靠性問題。本文重點(diǎn)對(duì)Super304H、HR3C、A335P92從材料特性、焊接性能、焊后易出現(xiàn)問題以及在壽電620℃高溫下運(yùn)行的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行詳細(xì)說明。

1、Super304H應(yīng)用位置

高過、高再及屏過除外三圈以外的其他管排。

    2、應(yīng)用詳解

    Super304H是在TP304H的基礎(chǔ)上，通過Cu、Nb、N合金化而得到的一種新型經(jīng)濟(jì)型奧氏體不銹鋼，降低Mn的含量上限，加入約3%的Cu、0.45%的Nb和一定量的N而得到的，而TP304H是在TP347H的基礎(chǔ)上通過熱處理使晶粒細(xì)化到八級(jí)以上，大大提高了抗氧化能力。

2.1成分

2.2性能

機(jī)械性能：由于氮的固溶加強(qiáng)影響，強(qiáng)度和0.2%彈性極限應(yīng)力高于普通的18Cr-8Ni不銹鋼，韌性幾乎和TP347H一樣。

抗蒸汽氧化性能：細(xì)晶粒Super304H的抗蒸汽氧化性能和細(xì)晶粒Super347H相同，，細(xì)晶粒TP47的該性能比TP321更優(yōu)越。

耐高溫腐蝕性能：由于細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)和Nb的增加，Super304H耐熱腐蝕性能得到改善，幾乎和細(xì)晶粒TP347相同。

2.3可焊性

通過適于檢測熱裂紋敏感性的可變約束抗熱裂試驗(yàn)和約束紋試驗(yàn)來評(píng)價(jià)Super304H的可焊性。Super304H的熱裂紋敏感性、裂紋長度和裂紋率低于TP347H。室溫和高溫下，Super304H焊接點(diǎn)強(qiáng)度與母材相同。焊接用的填充金屬成分應(yīng)與Super304H相匹配。

2.4常用焊材對(duì)比

鎳基焊絲（A）ERNiCrMo-3、（B）ERNiCr-3和進(jìn)口的（C）YT304H（該焊絲是Super304H進(jìn)口時(shí)的配套焊絲）。

用三種焊材焊接后通過拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)及硬度試驗(yàn)后對(duì)比得出，三種焊材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都大于母材，且符合電力行業(yè)DL868的要求，說明焊接接頭常溫拉伸性能良好；彎曲試驗(yàn)將試樣彎曲到規(guī)定的180℃，用10倍放大鏡觀察未發(fā)現(xiàn)任何形式的裂紋或裂開，表面上述三種焊材的焊接接頭都有足夠的塑形，滿足DL868要求；硬度試驗(yàn)表面三種焊材的焊接接口都大于母材，且硬度從融合線附近至母材區(qū)域波動(dòng)性降低，最后降低至母材硬度，符合硬度試驗(yàn)要求；沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果，雖然該三種焊材的焊縫沖擊功小于其熱影響區(qū)的沖擊攻小于母材的沖擊功，但仍然滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL868中的要求。

2.5焊接工藝

1)焊接過程中容易發(fā)生的問題

Super304H鋼是TP304H鋼的改進(jìn)型，添加了3%的Cu和0.45%Nb。通過彌散強(qiáng)化作用（在均勻材料中加入硬質(zhì)顆粒的一種材料強(qiáng)化手段）獲得了極高的許用應(yīng)力，但是合金元素的增加使得液體金屬粘度變大，流動(dòng)性變差，給焊接操作帶來了困難；另外如果焊接位置困難的話，會(huì)引起未來融合缺陷；同時(shí)不銹鋼氧化膜耐高溫，焊接過程中不易融化，造成鐵水圍繞小塊的氧化膜流動(dòng)，而冷卻時(shí)卻融合不好，而且氧化膜清理困難，鐵工清理不干凈，從而產(chǎn)生未融合缺陷。

2)工藝措施

A、嚴(yán)格對(duì)口工藝，要求坡口角度為30°~35°，鈍邊0.5mm~1mm，間隙2~3mm，間隙太小容易造成未焊透，太大則要求金屬填充量大，焊接速度相對(duì)減慢，熱輸入量增加，從而造成合金元素?zé)龘p；

B、選擇合理的焊接參數(shù)：奧氏體在焊接過程中有熱裂傾向，因而要嚴(yán)格控制層間溫度，焊接電流是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，電流過小則不能是母材充分融化造成未焊透，電流過大則使得焊縫容易被氧化，經(jīng)過摸索比較打底電流為75~81A，蓋面電流為70~74A。

C、控制好層間溫度薄壁小管焊接過程中因?yàn)闊崃坎灰咨⑹?，焊口溫度容易升高，層間溫度過高，因此我們應(yīng)該采用盡可能快的焊接速度，每次降溫到100℃以后再進(jìn)行焊接。

D、沖氬保護(hù)，整根管子沖氬，為防止高溫區(qū)合金元素的氧化，在整個(gè)焊接過程中進(jìn)行背面沖氬保護(hù)。

E、改進(jìn)操作技術(shù)，建議將鎢棒錐度磨成15°，較尖的鎢極電弧更集中，有利于熔池的形成和提高焊接宿舍都，防止層間溫度過高，焊層不宜太厚，以減少焊縫的熱輸入量，降低層間溫度，壁面焊縫氧化。

2.6焊后易出現(xiàn)的問題：

1）晶間腐蝕，它是奧氏體耐熱鋼一種極其危險(xiǎn)的破壞形式，特是沿晶界開始腐蝕，表面上一般不容易發(fā)現(xiàn)，但是它使得承壓管道焊接接頭的力學(xué)性能顯著下降了，因而易引發(fā)早期破壞。根據(jù)“碳化物析出造成晶間貧鉻理論”，在450℃到850℃范圍內(nèi)，C和Cr易在奧氏體晶粒邊界處形成炭化鉻，當(dāng)晶界處的Cr含量降低到小于12%時(shí)，鋼材會(huì)喪失耐腐蝕性能。

2）應(yīng)力腐蝕裂紋，它是應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用引起的一種低應(yīng)力脆性裂紋，奧氏體不銹鋼膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性差，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度加大的情況下，焊接變形受到約束，焊后構(gòu)件特別是焊接接頭會(huì)存在較大的焊接殘余應(yīng)力，如果有腐蝕介質(zhì)存在，就滿足了應(yīng)力腐蝕裂紋的沖要條件，從而使奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向較大。

2.7焊后熱處理：原則上，Super304H焊后不需要進(jìn)行熱處理，但如果在氯離子的環(huán)境中施工，而且接頭進(jìn)倉儲(chǔ)前又沒有有效的防止氯離子對(duì)熱影響區(qū)污染的得力措施的情況下，需要進(jìn)行焊后熱處理。熱處理建議采用高溫會(huì)火處理，處理方法為隨爐升溫，溫升50℃/h,在755℃保溫50min,然后降溫，降溫速度不大于50℃/h。

   3、經(jīng)濟(jì)型

    Super304H在高溫條件下具有優(yōu)良的性能，能滿足超超臨界鍋爐所需在高參數(shù)下保持高機(jī)械強(qiáng)度的需求。在同樣的溫度和壓力下，使用Super304H超臨界使用的合金材料比較，爐管壁厚大幅減少。因此，相應(yīng)的單位長度重量明顯減少，同樣受熱面積所用的鋼材隨其性能的提高而用量減少。Super304H的性價(jià)比比其他鋼材優(yōu)越，可以大量使用。使用Super304H不僅在經(jīng)濟(jì)上有優(yōu)點(diǎn)，而且由于管材壁厚減少降低了承壓部件的總重量，減少了結(jié)構(gòu)稱重和應(yīng)力、熱應(yīng)力等，也減少了制造成本和施工的難度。從而給制造商帶來經(jīng)濟(jì)效益。

   4、Super304H在壽光電廠的應(yīng)用

    Super304H是一種用于高參數(shù)、超超臨界鍋爐受熱面管的新材料，由于細(xì)銅相的沉淀強(qiáng)化作用和Nb成分的摻和，增強(qiáng)了Super304H的蠕變斷裂強(qiáng)度，在高溫下具有優(yōu)良的機(jī)械性能和抗蒸汽氧化和耐熱腐蝕的性能，可以在650℃以下長期運(yùn)作。

壽光電廠一期機(jī)組鍋爐再熱器出口蒸汽溫度為623℃，爐內(nèi)受熱面采用的SUPER304H材質(zhì)不銹鋼管最高使用溫度超過700℃，有較大的溫度余量，可以滿足623℃參數(shù)的要求。因此，該材質(zhì)在爐內(nèi)的應(yīng)用應(yīng)無較大問題，且在鍋爐技術(shù)協(xié)議中明確要求設(shè)備廠家在進(jìn)行Super304H的選材時(shí)應(yīng)滿足晶粒度大于 七級(jí)，管子內(nèi)壁經(jīng)過噴丸處理，進(jìn)一步提升該材質(zhì)受熱面的抗氧化性能。

5、HR3C 應(yīng)用位置

高過、高再、屏過外三圈。

6、應(yīng)用詳解

HR3C的美國牌號(hào)是SA213TP310HCbNC(ASE2115-1),簡稱超級(jí)不銹鋼。HR3C也是25Cr-20Ni-Nb-N,也是TP310NbN，改進(jìn)的由Nb、N強(qiáng)化的TP310NbN,改進(jìn)的由Nb、N強(qiáng)化的TP310鋼，具有較高的高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性能，較好的加工性和焊接性，特別是具有極其優(yōu)異的抗蒸汽氧化性。

性能

它是利用鋼中析出微細(xì)的CrNbN化合物的Nb的碳氮化合物以及M23C6M對(duì)鋼進(jìn)行強(qiáng)化，使鋼具有了較高的高溫溫度，綜合性能較其他TP300系列的奧氏體優(yōu)良；由于Cr含量高，HR3C鋼的抗蒸汽氧化性和高溫腐蝕性優(yōu)于18~8不銹鋼，與具有相同含量的310不銹鋼類似，有極高的許用應(yīng)力，最高使用溫度為700℃，是USC鍋爐和高硫、高氯燃煤鍋爐的首選材料之一。

焊材選用

可選用配套的進(jìn)口焊材YT-HR3C焊絲進(jìn)行焊接，也可以選用德國蒂伯品牌的Thermain617鎳基合金氬弧焊絲。

當(dāng)前國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行篩選的焊材有ERNiCr-3、ERNiCrMo-3、ERNiCrCoMo-1和YT-HR3C,其中ERNiCr-3蠕變斷裂強(qiáng)度低于HR3C，而且美標(biāo)的限制使用溫度為480℃，不能應(yīng)用于我單位620攝氏度的工作環(huán)境，所以去除；ERNiCrMo-3的蠕變斷裂強(qiáng)度相當(dāng)，但是具有實(shí)效脆化傾向，而且美標(biāo)的限使用溫度為540攝氏度，不能應(yīng)用于我單位620攝氏度的工作環(huán)境，所以去除ERNiCrMo-1焊材的蠕變斷裂強(qiáng)度高、抗氧化性好、抗腐蝕性好、完全符合美國ASME標(biāo)準(zhǔn)。是替代YT-HR3C的理想焊材。

焊接工藝

選用直徑為2.4mm的ERNiCrMo-1焊絲。

A、打磨坡口，將坡口表面積沒側(cè)各10~15mm范圍進(jìn)行打磨直至露出金屬光澤，坡口角度為30~35°，對(duì)口間隙2.5~3.2mm,鈍邊0~1mm，用水溶紙對(duì)兩端管口進(jìn)行封堵，形成嚴(yán)密的小氣室，對(duì)口時(shí)做到內(nèi)壁齊平，如有錯(cuò)口，其錯(cuò)口值不得超過壁厚的10%。

B、沖氬保護(hù)，用專用工具對(duì)小氣室進(jìn)行沖氬保護(hù)，開始沖氬時(shí)先將氬氣流量開到最大(20~25L/min),待氣室的空氣排凈后調(diào)制正常流量（8~10L/min）。

C、、打底穿焊接，引弧后迅速將電弧電壓壓低至溶池表面1~1.5mm,并將其移動(dòng)到坡口的鈍邊處，送絲按照鋸齒形運(yùn)條法焊接，氬弧打底優(yōu)先選用內(nèi)夾絲，焊絲斷頭始終指向熔池上部略靠近管子內(nèi)側(cè)處，有利于焊縫根部焊透并可防治內(nèi)凹。

D、填充蓋面，蓋面時(shí)盡量選用小電流、快速焊、薄焊層，線能量一般控制在15KJ/cm一下，嚴(yán)格控制層間溫度，不得高于100攝氏度，有利于得到合格的金相組織。

焊后易出現(xiàn)的問題

該鋼材在焊接過程中有熱裂紋傾向，這種裂紋常出現(xiàn)在焊縫中，尤其容易發(fā)生在焊縫收尾和弧坑處，因而要注意控制焊接熱輸入及層間溫度，另外為防止高溫區(qū)合金元素的氧化，在整個(gè)焊接過程中要進(jìn)行背面沖氬保護(hù)，防止根部焊縫和母材的過燒。

焊后熱處理

該鋼材屬于單一的奧氏體組織，焊接性能良好，無冷裂傾向，因而無需做熱處理，但如果在氯離子的環(huán)境中施工，而且接頭進(jìn)倉儲(chǔ)前又沒有有效的防止氯離子對(duì)熱影響區(qū)污染的得力措施的情況下，需要進(jìn)行焊后熱處理。熱處理建議采用高溫會(huì)火處理，處理方法為隨爐升溫溫升50℃/h，在755℃保溫50min，然后降溫，將為速度不大于50min/h。

3RH3C在壽電的應(yīng)用

壽光電廠一期機(jī)組鍋爐再熱器出口蒸汽溫度為623℃，爐內(nèi)水平煙道對(duì)流受熱面外三圈采用的HR3C材質(zhì)不銹鋼管最高使用溫度超過700℃，有較大的溫度余量，可以滿足再熱汽出口623℃參數(shù)的要求。

7、A335P92應(yīng)用位置

高溫再熱器管道及末級(jí)過熱器出口集箱及管道

8、應(yīng)用詳解

P92鋼的化學(xué)成分和性能特點(diǎn)根據(jù)國外資料介紹，P92鋼材的化學(xué)成分和組織性能具有以下特點(diǎn)。

2.1ISA335-P92鋼市在P92鋼的基礎(chǔ)上添加W元素，適當(dāng)減少MO元素的含量，開發(fā)出來的一種新型鋼種。

2.2P92鋼的主要性能

1）具有良好的物理性能

2）具有比P91鋼更高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度

3）具有優(yōu)異的常溫沖擊韌性

4）具有優(yōu)良的抗氧化性能

3P92鋼的焊接性分析

8.1焊接裂紋敏感性比傳統(tǒng)的鐵素體耐熱鋼低

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知P92鋼只需預(yù)熱到100℃，P91鋼需要預(yù)熱到180℃裂紋率為零，而P22鋼需預(yù)熱到300℃才能達(dá)到。

8.2具有較明顯的時(shí)效傾向

P92鋼經(jīng)3000h時(shí)效后，其韌性下降了許多。P92鋼的沖擊攻從時(shí)效前的220J左右降到了70J左右，在3000h時(shí)效以后，沖擊功繼續(xù)下降的傾向不明顯，沖擊功將穩(wěn)定在時(shí)效3000h的水平。時(shí)效傾向發(fā)生在550~650℃的范圍內(nèi)，這個(gè)溫度范圍正式該鋼材的工作溫度范圍。母材具有明顯的時(shí)效傾向，與母材成分相近的焊縫也會(huì)有同樣的傾向。

8.3焊縫韌性低于母材的原因

焊縫金屬韌性不及母材的原因，在于焊縫金屬是從溫度非常高的熔融狀態(tài)冷卻下來的鑄造結(jié)構(gòu)，它沒有機(jī)會(huì)經(jīng)過TMCP過程即熱控軋加工過程，晶粒得不到細(xì)化，Nb等元素還固溶在基體內(nèi)，沒有機(jī)會(huì)充分析出的緣故。

8.4盡管P92鋼開發(fā)出來已經(jīng)有20多年了，但在國外大規(guī)模應(yīng)用的業(yè)績并不是太多，在國內(nèi)剛開始應(yīng)用。焊接接頭是影響機(jī)組運(yùn)行安全的最薄弱環(huán)節(jié)，由于P92鋼合金元素含量高，焊接上有較大的技術(shù)難度，容易出現(xiàn)接頭沖擊功底和長期運(yùn)行中的IV型開裂早期失效，如果焊接質(zhì)量得不到保證，P92的優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在，并對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性帶來威脅。

4P92鋼大口徑厚壁管道焊接的主要問題

由于P92鋼具有明顯的時(shí)效傾向，與母材成分相近的焊縫也會(huì)有同樣的傾向。為了避免焊縫金屬時(shí)效后韌性過低，提高焊縫金屬時(shí)效性前的原始韌度，為時(shí)效留出一定的余量，是P92鋼大口徑厚壁管道焊接的主要問題。圍繞提高焊縫韌性這個(gè)關(guān)鍵問題，我們從焊材的選擇、焊接中的預(yù)熱、層間溫度、焊接熱輸入量、熱處理溫度和時(shí)間等方面展開了研究，從大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中尋找影響焊縫韌性的因素，編制提高焊縫韌性的最佳工藝，從而為保證SA335-P92鋼工廠化配管焊接質(zhì)量打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

5SA-335-P92鋼材在壽光電廠的應(yīng)用

壽光一期工程高再及高過出口集箱均采用SA335-P92材質(zhì)，其ASME規(guī)范最高使用溫度為650℃，國內(nèi)規(guī)定的最高使用溫度不超過630℃，壽光電廠再熱汽出口溫度為623℃，高再出口集箱的設(shè)計(jì)溫度可能達(dá)到630℃，已接近P92的最高使用溫度，鑒于在這個(gè)溫度區(qū)間，國內(nèi)外尚無更好的并成熟應(yīng)用的其他替代材料，高再出口集箱必須采用SA335-P92材料，避免在運(yùn)行期間發(fā)生超溫時(shí)間，我公司要求東鍋設(shè)計(jì)一系列的減少溫度偏差的措施，將集箱的設(shè)計(jì)溫度控制在630℃以內(nèi)。

為解決再熱器壁溫過高，P92/T92材料無法適應(yīng)的問題，壽光電廠要求東方鍋爐廠從爐膛設(shè)計(jì)、燃燒器布置、燃燒組織、受熱面設(shè)計(jì)等方面，設(shè)計(jì)一系列減少煙溫偏差、蒸汽側(cè)熱力偏差的措施，降低再熱器管的壁溫，從而實(shí)現(xiàn)材料不升檔也能有一定裕量，以保證再熱器的安全性。以下為東方鍋爐廠按照壽光電廠要求設(shè)計(jì)并濕濕的減少煙溫偏差、蒸汽測熱力偏差的措施。

8.1采用國際上廣泛應(yīng)用的II型布置形式，典型的前后墻對(duì)沖燃燒系統(tǒng)。火焰在爐膛中對(duì)沖，有利于增強(qiáng)擾動(dòng)，爐內(nèi)火焰充滿情況較好，維持爐膛左右兩側(cè)有均衡的燃燒性能，保證均衡的燃燒熱負(fù)荷?？纱_保沿爐膛左右兩側(cè)有均衡的燃燒性能，使?fàn)t膛出口左右兩側(cè)煙溫偏差達(dá)到較小水平；

8.2合理布置大風(fēng)箱的結(jié)構(gòu)形式，如在大風(fēng)箱同層各燃燒器的風(fēng)道中加導(dǎo)流板等，使沿爐膛寬度方向上各燃燒器的配風(fēng)更均勻；

8.3選用單只熱功率較小的燃燒器，使燃燒器與爐墻、燃燒器與燃燒器間有足夠的距離，避免火焰撞擊爐墻和相互干擾；

8.4合理選取爐膛容積，在爐膛上部布置大節(jié)距的屏式過熱器，使煙氣在爐膛內(nèi)有足夠的燃燒停留時(shí)間，同時(shí)又能使煙氣在爐膛出口部分混合較好。

8.5 采用數(shù)值模擬技術(shù)，通過數(shù)值模擬預(yù)測爐膛的空氣動(dòng)力場、煙氣流場及溫度場；

8.6 合理調(diào)整各層煤粉管道阻力和爐膛寬度方向上煤粉輸入的均勻性，減少煙溫偏差，以及對(duì)氣溫偏差的影響；

8.7 各級(jí)再熱器的連接采用合理的引入引出方式。低溫再熱器出口與高溫再熱器之間進(jìn)行了一次左右交叉；

8.8 各級(jí)再熱器之間的連接采用了大管道連接，使蒸汽能充分混合。引入引出管盡量對(duì)稱布置，減少靜壓差，使流量分配均勻，減少氣溫偏差；

8.9 采用較大的集箱規(guī)格，加強(qiáng)集箱內(nèi)的混合效果，減少屏間偏差；

8.10合理布置再熱器各級(jí)受熱面面積及吸熱比例，減少高溫再熱器的焓增，減少高再出口蒸汽水利偏差；

8.11 合理選用受熱面管子的規(guī)格，取得與熱負(fù)荷相適應(yīng)的蒸汽流量。即使同一級(jí)的受熱面，管子規(guī)格也根據(jù)結(jié)構(gòu)和所處的位置不同而有所不同。如再熱器水平管組根據(jù)在蒸汽流程中的不同位置和溫度變化情況采用了不同的管子直徑和材料，使受熱面管材的布置更為合理。采用了放大最外圈管的口徑，整體放大節(jié)流孔，針對(duì)內(nèi)外圈不同位置的管子采取不同的節(jié)流孔，控制壁溫偏差，調(diào)節(jié)管子流量，減小屏間偏差；

8.12再熱器氣溫采用尾部煙氣擋板調(diào)節(jié)。通過煙氣擋板開度的大小來調(diào)節(jié)通過尾部后豎井底溫再熱器的煙氣流量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)再熱氣溫的目的；

8.13 在低再出口管道上設(shè)置事故噴水減溫器，設(shè)有左右兩個(gè)噴水點(diǎn)，兩側(cè)減溫管路分別用單獨(dú)的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)左右兩側(cè)管路上的噴水量，事故狀況下調(diào)節(jié)氣溫，消除偏差。

9、結(jié)論

通過以上各個(gè)材料的分析比較，Super304H、HR3C這兩種材質(zhì)本身的最高許用溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際運(yùn)行溫度，可以滿足620℃的運(yùn)行要求。SA335P92的國標(biāo)許用溫度為630℃，已經(jīng)接近于再熱器蒸汽出口溫度，通過一系列的減少溫度偏差的措施，將集箱和管道的設(shè)計(jì)溫度控制在630℃以內(nèi)，均可達(dá)到使用要求。