新材料及焊接工艺简介模板.doc

超超临界锅炉受压件材料
对锅炉受热受压元件选择材料考虑，不仅仅是通常意义上强度、抗腐蚀、抗氧化性能中某一项技术指标，而是寻求一个含有确保机组安全可靠运行、并含有优良工艺性能和良好质价比材料。
超超临界锅炉蒸汽温度和压力提升对材料热强性能、抗高温腐蚀和蒸汽氧化能力全部有更高要求。在采取和亚临界锅炉或超临界锅炉相同材料前提下，蒸汽温度和压力提升势必需求增加材料厚度（关键是管壁厚度），而厚壁部件生产、焊接、热处理、探伤等工艺等全部有更多困难，同时还会降低机组启停速率和调峰能力。要实现高蒸汽参数机组可靠运行，就必需使用和高参数相适应高性能耐热材料。
对于超超临界锅炉受压部件选材，其特殊性关键表现在水冷壁、末级过热器、末级再热器、主蒸汽管道及集箱等部件。
以下对被收录到ASME/ASTM和ASME CODE CASE（规范案例）一部分新型锅炉材料进行简明介绍，其中部分材料已被应用到哈锅承制中国第一台1000MW等级超超临界锅炉----玉环工程上，如P92、Super 304H和CODE CASE 2115。
一、超超临界锅炉用新型9～12%Cr铁素体耐热钢
1．T/P92
是一个新型9%Cr马氏体热强钢。该钢是由日本新日铁企业在T/P91（9Cr-1Mo-V-Nb）合金成份基础上经过加入1.8％W替换部分Mo，大大提升了固溶强化效果，得到了NF616（T/P92，9Cr0.5Mo1.8WVNb），600℃许用应力比T91高34％，可用作620℃以下锅炉厚壁部件。
该钢已正式被收录到ASME规范中SA-213和SA-335标准中，其许用应力按规范案例（CODE CASE）2179-3。该类钢现在由德国V&M和日本住友金属生产。
2．E911(T/P911)
E911是欧洲COST501开发新钢种，最初是作为转子用钢设计，以后在欧洲关键作为锅炉小管和厚壁部件材料进行开发，其成份和日本新日铁开发NF616(T92/P92)类似，也是一个9%Cr马氏体热强钢，是在P91基础上以1.0％W替换部分Mo，在ASME规范中提供高温许用应力值略低于P92。
该钢种已被收录到ASTM A 213-03a和A335-03中，其牌号为T/P911。在现行ASME规范中该钢种以CODE CASE 2327形式出现，正式进入规范材料。
二、 新型奥氏体耐热钢
1．Super304H
Super 304H是基于已被广泛使用、传统奥氏体耐热钢TP304H（18Cr-8Ni）钢，应用多元合金强化理论、弥散强化理论等开发一个新型奥氏体钢，其公称成份为(0.1C-18Cr-9Ni- 3Cu-Nb-N)。现已被列入了ASME CODE CASE 2328，并收录到美国材料和试验学会材料标准ASTM A 213 (03a版)中，UNS编号S30432；日本标准牌号SUS304J1HTB。该钢由日本Y.Sawaragi等人开发，日本住友金属株式会社将其工业化生产，在成份上特征是：
■ 为提升蠕变断裂强度增加了3%左右Cu。即在蠕变中Cu富集相在奥氏体基体中微细分散共格析出，大幅度提升了材料蠕变断裂强度；
■ 经过复合加入Nb、N元素，达成深入提升材料高温强度和持久塑性。
该钢在成份设计上以经典18Cr-8Ni作为基础，从经济性角度出发，不用价格相对较高W、Mo等元素，利用多元合金化原理，即显著提升了材料高温蠕变断裂强度，又使其耐高温烟气腐蚀和高温蒸汽氧化和细晶粒TP347H（TP347HFG）大致相同。Super304H在650℃时许用应力比TP304H高90%、比TP347H高48%、比TP347HFG高21%，而且比25Cr-20Ni类TP310HCbN(HR3C)略高5%左右。因为Super304H在高温下含有较高蠕变断裂强度和许用应力，所以该钢是表1中性能价格比最好材料，采取这种钢管制造超超临界锅炉受压部件经济性很显著，同时能够使钢管壁厚减薄，钢耗量大大降低。
该材料首次实际装机运行时间是1989年，由三菱重工株式会社和和歌山共同火力株式会社共同使用在锅炉过热器和再热器上 (参数19MPa，571/543℃)运行了6年，其中原町1号炉1997年投运至今已8年。高参数下更长久安全使用性能还需要实机考评。
该钢焊接性和冷热加工性和TP347H相当。另外，从1989年开始，哈尔滨锅炉厂有限责任企业、东方锅炉股份有限责任企业、上海锅炉厂有限责任企业、机械部发电设备服务中心和日本住友金属企业合作，对部分新型耐热钢进行了部分性能复核及研究，针正确关键材料是T23(HCM2S)、T91/P91、HCM12A、Super 304H。
该钢种现在只有日本住友金属一家企业在生产，实用业绩也关键集中在日本本土或其设计锅炉，三菱企业和哈锅合作玉环、泰州、营口、阚山、河源工程超超临界锅炉上使用了该材料。
2.HR3C(TP310HCbN)
HR3C是一个结合了TP310H和TP310Cb改善25Cr-20Ni型奥氏体耐热钢，其公称成份为0.1C-25Cr-20Ni-Nb-N，现列入了ASME SA-213/SA-213M标准中，材料牌号TP310HCbN（UNS S31042），许用应力按ASME CODE CASE 2115-1。该材料由日本住友金属株式会社开发，因为在原TP310H基础上添加了微量Nb和N（Nb：0.20～0.60%，N：0.15～0.35%），使这种钢高温许用应力在950℉（520℃）以上比TP310H有显著提升，在金属壁温为650℃时，该材料高温蠕变强度为TP310H2倍左右。因为含有高Cr、高Ni，所以抗高温蒸汽氧化、抗烟气腐蚀性能比18Cr-8Ni或19Cr-11Ni要高出很多，是一个以高参数超超临界锅炉过热器或再热器高温段部件为使用背景材料。
HR3C现在住友金属生产，但类似25Cr级钢在日本有二、三家钢厂生产。

以上六种材料化学成份、常温力学性能、许用应力见表1～表4。

表1 奥氏体钢管化学成份和力学性能
材料
牌号
Super 304H
TP347HFG
TP304H
TP347H
TP310H
TP310HCbN
(HR3C)
UNS
编号
S30432
--
S30409
S34709
S31009
S31042
公称
成份
18Cr-9Ni
-3Cu-Cb-N
18Cr-10Ni-Cb
18Cr-8Ni
18Cr-10Ni-Cb
25Cr-20Ni
25Cr-20Ni-
Cb-N
材料
标准
SA-213
CODE CASE2328
SA-213
CODE CASE2159-1
SA-213
SA-213
SA-213
SA-213
CODE CASE2115-1
化学成份
C
0.07-0.13
0.06-0.10
0.04-0.10
0.04-0.10
0.04-0.10
0.04-0.10
Si
≤0.30
≤0.75
≤0.75
≤0.75
≤0.75
≤0.75
Mn
≤0.50
≤2.00
≤2.00
≤2.00
≤2.00
≤2.00
P
≤0.045
≤0.040
≤0.040
≤0.040
≤0.040
≤0.030
S
≤0.030
≤0.030
≤0.030
≤0.030
≤0.030
≤0.030
Cr
17.00-19.00
17.00-22.00
18.0-20.0
17.0-20.0
24.00-26.00
24.00-26.00
Ni
7.50-10.50
9.00-13.0
8.00-11.00
9.00-13.00
19.00-22.00
17.00-23.00
Nb
0.20-0.60

0.20-0.60
Ta+Nb
0.20-0.80
≥8×C～1.0

≥8×C～1.0

Cu
2.50-3.50

Al
0.003-0.030

N
0.05-0.12

0.15-0.35
B
0.001-0.010

室温力学性能
抗拉强度
Rm
ksi (MPa)
≥80
(550)
≥80
(550)
≥75
(515)
≥75
(515)
≥75
(515)
≥95
(655)
屈服强度Rp0.2
ksi(MPa)
≥30
(205)
≥30
(205)
≥30
(205)
≥30
(205)
≥30
(205)
≥43
(295)
伸长率 A 50mm,%
≥35
≥35
≥35
≥35
≥35
≥30
硬度
≤192HB
(90HRB)
≤192HB
(90HRB)
≤192HB
(90HRB)
≤192HB
(90HRB)
≤192HB
(90HRB)
≤256HB
(100HRB)

表2 奥氏体钢管许用应力
金属温度不超出
°F
许用应力值（ksi）
Super 304H
TP347HFG
TP304H
TP347H
TP310H
TP310HCbN
(HR3C)
-20～100
20.0
20.0
20
20
20
27.1
200
20.0
20.0
20
20
20
26.9
300
20.0
20.0
18.9
18.8
20
25.4
400
20.0
19.9
18.3
17.8
19.9
24.6
500
19.4
19.3
17.5
17.1
19.3
24.2
600
18.6
19.1
16.6
16.9
18.5
24.0
650
18.3
19.0
16.2
16.8
18.2
23.9
700
18.0
18.9
15.8
16.8
17.9
23.8
750
17.7
18.8
15.5
16.8
17.7
23.7
800
17.4
18.6
15.2
16.8
17.4
23.6
850
17.2
18.3
14.9
16.8
17.2
23.4
900
16.9
18.1
14.6
16.7
16.9
23.1
950
16.7
17.9
14.3
16.6
16.7
22.8
1000
16.4
17.7
14
16.4
13.8
22.4
1050
16.2
17.5
12.4
16.2
10.3
22.0
1100
16.0
16.6
9.8
14.1
7.6
16.1
1150
14.7
12.8
7.7
10.5
5.5
13.6
1200
11.4
9.7
6.1
7.9
4
10.1
1250
8.7
7.3
4.7
5.9
3
7.6
1300
6.5
5.4
3.7
4.4
2.2
5.7
1350
4.7
4.0
2.9
3.2
1.7
4.3
1400
3.3

2.3
2.5
1.3

1450
2.2

1.8
1.8
0.97

1500
1.5

1.4
1.3
0.75

（1）TP304H、TP347H和TP310H许用应力摘自ASME Section II-D篇；
（2）Super 304H、TP347HFG和TP310HCbN许用应力摘自ASME规范案例（CODE CASE）。

图1 多个奥氏体钢许用应力
表3 铁素体钢管化学成份和力学性能
材料牌号
T91/P91
T92/P92
(NF616)
T911/P911
（E911）
T122/P122
(HCM12A)
公称成份
9Cr-1Mo-V
9Cr-2W
9Cr-1Mo-1W-Cb
12Cr-2W
材料标准
ASME SA-213
ASME SA-335
ASME SA-213
ASME SA-335
CODE CASE2179-3
ASTM A 213
ASTM A 335
CODE CASE2327
ASME SA-213
ASME SA-335
CODE CASE2180-2
化学成份
C
0.08-0.12
0.07-0.13
0.09-0.13
0.07-0.14
Mn
0.30-0.60
0.30-0.60
0.30-0.60
≤0.70
P
≤0.020
≤0.020
≤0.020
≤0.020
S
≤0.010
≤0.010
≤0.010
≤0.010
Si
0.20-0.50
≤0.50
0.10-0.50
≤0.50
Cr
8.00-9.50
8.50-9.50
8.5-9.5
10.00-12.50
Mo
0.85-1.05
0.30-0.60
0.90-1.10
0.25-0.60
V
0.18-0.25
0.15-0.25
0.18-0.25
0.15-0.30
W

1.50-2.00
0.90-1.10
1.50-2.50
Nb
0.06-0.10
0.04-0.09
0.060-0.100
0.04-0.10
B

0.001-0.006
0.0003-0.006
≤0.005
N
0.030-0.070
0.030-0.070
0.040-0.090
0.040-0.100
Ni
≤0.40
≤0.40
≤0.40
≤0.50
Al
≤0.040
≤0.040
≤0.040
≤0.040
Cu

0.30-1.70
力学性能
抗拉强度Rm
ksi (MPa)
≥85(585)
≥90
≥90
≥90
屈服强度Rp0.2
ksi(MPa)
≥60(415)
≥64
≥64
≥58
伸长率A 5,
50mm, %
≥20
≥20
≥20
≥20
硬度
≤250HB(265HV)
(25HRC)
≤250HB
(25HRC)
≤238HB
(99.5HRB)
≤250HB
(25HRC)
表4 铁素体钢管许用应力
金属温度不超出
°F
许用应力值（ksi）
T91/P91
T92/P92
T911/P911
T122/P122
-20～100
24.3
25.7
25.7
25.7
200
24.3
25.7
25.7
25.7
300
24.3
25.3
25.1
25.0
400
24.2
24.5
24.1
24.2
500
24.1
23.8
23.6
23.7
600
23.7
23.2
23.2
23.1
650
23.4
22.8
23.0
22.9
700
22.9
22.4
22.7
22.5
750
22.2
21.9
22.3
22.1
800
21.3
21.4
21.7
21.6
850
20.3
20.8
21.0
21.1
900
19.1
20.1
20.1
20.3
950
17.8
19.2
19.0
19.5
1000
16.3
18.3
17.7
18.5
1050
14.0(12.9)
17.2(16.6)
14.9
16.8
1100
10.3(9.6)
13.6(13.0)
11.4
12.9
1150
7.0
10.2(9.6)
6.7
9.3
1200
4.3
6.9(---)

6.2
（1）T92/P92括号中数据是锻件和锻制公称管许用应力，没有括号数据是管子和公称管许用应力。T91/P92括号中数据适适用于外径大于3in管子
（2）T92/P92、T122/P122高于1150℉适适用于最大外径限制为3.5in管子。
（3）T91/P91许用应力摘自ASME Section II-D篇；
（4）T92/P92、T911/P911和T122/P122许用应力摘自ASME规范案例（CODE CASE）。

图2 多个铁素体钢管许用应力比较图
超超临界锅炉受压件材料焊接工艺
海门电厂1000MW超超临界锅炉在屏式过热器、高温再热器和高温过热器中采取高温强韧性和抗热腐蚀性愈加好细晶粒奥氏体不锈钢ASME-Code-Case2328（日本住友金属工业株式会社牌号为SUPER304H）和新型奥氏体不锈钢HR3C。在其它部件中使用亚临界锅炉中常见碳钢（SA210C）、低合金耐热钢（SA-335P92，SA-213T12，SA-213T22，SA-335P12,SA-335P22，SA-335P91，SA-213T91）。
1．新型材料焊接工艺介绍
（1）SUPER304H焊接
SUPER304H（0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N）即ASME-Code-Case2328是日本住友金属工业株式会社研制开发新型奥氏体不锈钢管。因为加入了阻止奥氏体晶粒长大Cu、Nb、N等元素，使SUPER304H含有较细晶粒尺寸，其许用应力值比ASME法规材料SA-213TP347H高20％，含有较高高温强度，其韧性和SA-213TP347H相当，焊接性能良好。住友金属工业株式会社研制开发了化学成份和各项性能和SUPER304H相匹配焊接材料＃T-304H焊丝和＃304H焊条。
（2）CODE CASE2115焊接
CODE CASE2115（25Cr-20Ni-Nb-N）是日本住友金属工业株式会社研制开发新型奥氏体不锈钢管，CODE CASE2115含有较高高温强度，很好微观组织稳定性及耐蒸汽腐蚀、耐热腐蚀性能，并含有良好焊接性能。＃T-HR3C是化学成份和机械性能和HR3C相匹配焊接材料。
2．其它材料焊接
（1）大口径管焊接
大口径管环缝通常采取TIG+SMAW+SAW组合焊接工艺方法。焊接时采取和管材合金成份、机械性能相匹配焊接材料。
a.SA-106C
SA-106C用于省煤器和水冷壁入口集箱，因为碳强化，标准抗拉强度下限485Mpa。集箱环缝焊接方法采取TIG+SMAW+SAW组合工艺。当壁厚小于25㎜时，不需焊前预热；壁厚为25～75㎜时，焊前预热100℃；壁厚大于75㎜时，预热150℃。焊后热处理加热温度通常为600～650℃。而壁厚小于20㎜时，焊后可不进行热处理。
b.SA-335P12
SA-335P12是合金系为1Cr－0.5Mo低合金耐热无缝钢管。该钢含有良好可焊性，当壁厚>15㎜时，焊前要预热至150～200℃，壁厚>10㎜焊件，焊后要进行660～690℃消除应力热处理。
c.SA-335P22
SA-335P22属于2.25Cr-1Mo型钢材，含有较高热强性。该钢有一定冷裂和淬硬倾向，所以必需采取焊前预热、控制层间温度、焊后后热、消氢及热处理等工艺方法。焊前预热温度200～250℃，焊后热处理温度700～740℃。
d. SA-335P91
SA335P91是马氏体型耐热钢，焊接时含有显著冷裂倾向。经过大量工艺试验研究及工艺评定，P91大口径管已经成功用于锅炉过热器和再热器集箱产品制造。大口径P91管焊接采取了TIG+SMAW+SAW组合焊接工艺。TIG焊打底时，后面应采取氩气保护，实现单面焊双面成型。焊接材料选择日本神钢手工氩弧焊填充丝TGS-9cb、CM-96B9焊条， US-9CB／PF-200s埋弧焊焊丝-焊剂进行焊接，取得了综协力学性能良好焊接接头。
为了预防冷裂纹产生，焊条电弧焊和埋弧自动焊焊前焊件预热温度应≥250℃，手工氩弧焊焊件预热温度为≥150℃。焊接时最高层间温度控制在350℃。
为了提升接头力学性能，在焊接时采取小焊接线能量和多层多道焊。焊接工作结束后，从焊接预热温度缓慢冷却到80℃~100℃，使焊缝金属转变成马氏体后，加热到350~400℃，保温2小时进行后热处理。焊后经过760±15℃热处理，焊接接头综协力学性能良好。
e. SA-335P92
P92是在P91合金成份基础上添加W和少许B来实现，W起固溶强化作用，能有效降低M23C6碳化物长大速度，少许B起到多元强化作用，提升晶界高温强度。
预热温度：M-GTAW：≥150℃，SMAW：≥200℃
焊接规范：（以神钢材料为例）
焊接方法
焊接材料
焊材规格
焊接电流
电弧电压
GTAW
TGS-12CRS
φ2.4mm
100-120A
11-14V
SMAW
CR-12S
φ3.2mm
80-120A
22-24V
φ4.0mm
140-160A
24-26V
SAW
US-12CRS/PF200S
φ2.4mm
350-400A
30-36V
首层根部焊道采取M-GTAW工艺焊接，然后用SMAW工艺过渡并采取埋弧自动焊填充并盖面。
电流极性：直流反接 焊条烘干温度：300-350℃／1h
焊接过程保持预热温度，注意控制层间温度：≤300℃
采取短弧焊接，焊接过程中严格控制热输入，收弧时注意填满弧坑。摆动焊接宽度不得超出电极直径2.5倍。
保护气体：氩弧焊，Ar气体流量15-20L/min，后面保护气体为Ar，气体流量10-20L/min，根部充氩保持最少焊接三层以上。
焊后热处理：热处理温度740-760℃，热处理保温时间为1h／1inch（25.4mm），升降温速度100-150℃／h，降温150℃／h。

（2）小口径管焊接
小口径管对接焊口关键使用机械焊方法焊接。现在，对于低合金钢小口径管对接接头关键采取TIG＋MIG、热丝TIG、自动TIG等焊接方法，难以实现自动焊位置采取手工氩弧焊工艺方法。小口径不锈钢管对接焊采取手工氩弧焊、自动TIG方法焊接。
a.SA-213TP347H
SA-213TP347H是用铌稳定奥氏体不锈钢。含有良好组织稳定性、较高持久强度、良好组织稳定性和抗氧化性能。该钢材焊接过程中有热裂纹倾向，所以应注意控制焊接热输入及层间温度。焊接材料焊条电弧焊采取E347H，MIG焊采取ER347H，从而提升了焊接接头抗裂性能。
若SA-213TP347H和铁素体类材料进行异种钢焊接，因镍基合金热膨胀系数介于SA-213TP347H和铁素体类材料之间，所以采取ERNiCr3或ENiCrFe-3型号焊丝或焊条。该材料有热裂倾向，焊接时应采取较小焊接热输入。因该钢材钢水较粘，为确保坡口两侧熔合良好，采取比通常铁素体钢稍大坡口角度。
b.SA-213T11和SA-335T22
SA-213T11是和SA-335P11含有相同化学成份和强度等级低合金耐热无缝钢管，含有良好工艺性能及焊接性。SA213T22和SA-335P22同属于2.25Cr-1Mo型钢材，含有较高热强性。焊接特点和焊接要求参见SA-335P11和SA335P2焊接。
c.SA-213T91
T91管对接通常采取自动TIG+MIG和手工氩弧焊方法。
手工氩弧焊焊接T91，焊前将焊接区预热200℃以上，层间温度在300℃以下。焊接时采取小电流，短弧操作，管内部氩气保护。收弧时要采取回拉式收弧并填满弧坑，衰减时间要比焊接其它钢种长3-5秒，且停弧后，焊枪在焊接区停留5秒钟左右再停气。
机械氩弧焊焊接T91，因为连续施焊焊前能够不预热。首层TIG自熔是应提前送气和有足够预热时间，后面充氩气保护MIG焊填充φ0.8mm MGS-9Cb焊丝。
全部T91管对接焊缝，不管是同种钢还是异种钢接头，焊后二十四小时内必需进行焊后热处理。