新材料及焊接工艺简介.doc

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超超临界锅炉受压件材料
对锅炉受热受压元件选用材料的考虑, 不但仅是一般意义上的强度、 抗腐蚀、 抗氧化性能中的某一项技术指标, 而是寻求一种具有保证机组安全可靠运行的、 并具备优良工艺性能和良好质价比的材料。
超超临界锅炉蒸汽温度和压力的提高对材料的热强性能、 抗高温腐蚀和蒸汽氧化能力都有更高的要求。在采用与亚临界锅炉或者超临界锅炉相同材料前提下, 蒸汽温度和压力的提高势必要求增加材料的厚度( 主要是管壁厚度) , 而厚壁部件的生产、 焊接、 热处理、 探伤等工艺等都有更多的困难, 同时还会降低机组的启停速率和调峰能力。要实现高蒸汽参数机组的可靠运行, 就必须使用与高的参数相适应的高性能的耐热材料。
对于超超临界锅炉受压部件的选材, 其特殊性主要体现在水冷壁、 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) 的一部分新型锅炉材料进行简要介绍, 其中一些材料已被应用到哈锅承制的国内第一台1000MW等级的超超临界锅炉----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
是一种新型的9%Cr的马氏体热强钢。该钢是由日本新日铁公司在T/P91( 9Cr-1Mo-V-Nb) 合金成分的基础上经过加入1.8％的W取代部分Mo, 大大提高了固溶强化的效果, 得到了NF616( T/P92, 9Cr0.5Mo1.8WVNb) , 600℃的许用应力比T91高34％, 可用作620℃以下的锅炉厚壁部件。
该钢已正式被收录到ASME规范中的SA-213和SA-335标准中, 其许用应力按规范案例( CODE CASE) 2179-3。该类钢当前由德国的V&M和日本的住友金属生产。
2．E911(T/P911)
E911是欧洲COST501开发的新钢种, 最初是作为转子用钢设计的, 后来在欧洲主要作为锅炉小管和厚壁部件材料进行开发, 其成分与日本新日铁开发的NF616(T92/P92)类似, 也是一种9%Cr的马氏体热强钢, 是在P91基础上以1.0％W取代部分Mo, 在ASME规范中提供的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。在现行的ASME 规范中该钢种以CODE CASE 2327的形式出现, 正式进入规范材料。
二、 新型的奥氏体耐热钢
1．Super304H
Super 304H是基于已被广泛使用的、 传统的奥氏体耐热钢TP304H( 18Cr-8Ni) 钢, 应用多元合金强化理论、 弥散强化理论等开发的一种新型的奥氏体钢, 其公称成分为(0.1C-18Cr-9Ni- 3Cu-Nb-N)。现已被列入了ASME CODE CASE 2328, 并收录到美国材料与试验学会材料标准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, 在成分上的特征是:
■ 为提高蠕变断裂强度增加了3%左右的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, 大幅度提高了材料的蠕变断裂强度;
■ 经过复合加入Nb、 N元素, 达到进一步提高材料的高温强度和持久塑性。
该钢在成分的设计上以典型的18Cr-8Ni作为基础, 从经济性的角度出发, 不用价格相对较高的W、 Mo等元素, 利用多元合金化原理, 即显著提高了材料的高温蠕变断裂强度, 又使其耐高温烟气腐蚀和高温蒸汽氧化与细晶粒TP347H( TP347HFG) 大致相同。Super304H在650℃时的许用应力比TP304H高90%、 比TP347H高48%、 比TP347HFG高21%, 而且比25Cr-20Ni类的TP310HCbN(HR3C)略高5%左右。由于Super304H在高温下具有较高的蠕变断裂强度和许用应力, 因此该钢是表1中性能价格比最好的材料, 采用这种钢管制造超超临界锅炉受压部件的经济性非常显著, 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与和歌山共同火力株式会社共同使用在锅炉的过热器和再热器上 (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。高参数下的更长期的安全使用性能还需要实机考核。
该钢的焊接性和冷热加工性与TP347H相当。另外, 从1989年开始, 哈尔滨锅炉厂有限责任公司、 东方锅炉股份有限责任公司、 上海锅炉厂有限责任公司、 机械部发电设备服务中心与日本住友金属公司合作, 对一些新型耐热钢进行了部分的性能复核及研究, 针正确主要材料是T23(HCM2S)、 T91/P91、 HCM12A、 Super 304H。
该钢种当前只有日本住友金属一家公司在生产, 实用业绩也主要集中在日本本土或其设计的锅炉, 三菱公司与哈锅合作的玉环、 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是一种结合了TP310H和TP310Cb的改进的25Cr-20Ni型奥氏体耐热钢, 其公称成分为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, 由于在原TP310H的基础上添加了微量的Nb和N( Nb: 0.20～0.60%, N: 0.15～0.35%) , 使这种钢的高温许用应力在950℉( 520℃) 以上比TP310H有显著提高, 在金属壁温为650℃时, 该材料的高温蠕变强度为TP310H的2倍左右。由于具有高Cr、 高Ni, 因此抗高温蒸汽氧化、 抗烟气腐蚀的性能比18Cr-8Ni或19Cr-11Ni要高出许多, 是一种以高参数的超超临界锅炉过热器或再热器高温段部件为使用背景的材料。
HR3C当前住友金属生产, 但类似的25Cr级钢在日本有二、 三家钢厂生产。

以上六种材料的化学成分、 常温力学性能、 许用应力见表1～表4。

表1 奥氏体钢管的化学成分和力学性能
材料
牌号
Super 304H
TP347HFG
TP304H
TP347H
TP310H
TP310HCbN
(HR3C)
UNS
编号
S30432
--
S30409
S34709
S31009
S31042
公称
成分
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
化学成分
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 奥氏体钢管的许用应力
金属温度不超过
°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的许用应力摘自ASME Section II-D篇;
( 2) Super 304H、 TP347HFG和TP310HCbN的许用应力摘自ASME规范案例( CODE CASE) 。

图1 几种奥氏体钢的许用应力
表3 铁素体钢管的化学成分和力学性能
材料牌号
T91/P91
T92/P92
(NF616)
T911/P911
( E911)
T122/P122
(HCM12A)
公称成分
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
化学成分
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 铁素体钢管的许用应力
金属温度不超过
°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括号中的数据是锻件和锻制公称管的许用应力, 没有括号的数据是管子和公称管的许用应力。T91/P92括号中的数据适用于外径大于3in的管子
( 2) T92/P92、 T122/P122高于1150℉适用于最大外径限制为3.5in的管子。
( 3) T91/P91的许用应力摘自ASME Section II-D篇;
( 4) T92/P92、 T911/P911和T122/P122的许用应力摘自ASME规范案例( CODE CASE) 。

图2 几种铁素体钢管的许用应力比较图
超超临界锅炉受压件材料的焊接工艺
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用高温强韧性和抗热腐蚀性更好的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的碳钢( 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的焊接
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的新型奥氏体不锈钢管。由于加入了阻止奥氏体晶粒长大的Cu、 Nb、 N等元素, 使SUPER304H具有较细的晶粒尺寸, 其许用应力值比ASME法规材料SA-213TP347H高20％, 具有较高的高温强度, 其韧性与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分和各项性能与SUPER304H相匹配的焊接材料＃T-304H焊丝和＃304H焊条。
( 2) CODE CASE2115的焊接
CODE CASE2115( 25Cr-20Ni-Nb-N) 是日本住友金属工业株式会社研制开发的新型奥氏体不锈钢管, CODE CASE2115具有较高的高温强度, 较好的微观组织稳定性及耐蒸汽腐蚀、 耐热腐蚀性能, 并具有良好的焊接性能。＃T-HR3C是化学成分和机械性能与HR3C相匹配的焊接材料。
2．其它材料的焊接
( 1) 大口径管的焊接
大口径管的环缝一般采用TIG+SMAW+SAW的组合焊接工艺方法。焊接时采用与管材合金成分、 机械性能相匹配的焊接材料。
a.SA-106C
SA-106C用于省煤器和水冷壁入口集箱, 由于碳的强化, 标准抗拉强度下限485Mpa。集箱环缝焊接方法采用TIG+SMAW+SAW的组合工艺。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℃。焊后热处理的加热温度一般为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。该钢具有良好的可焊性, 当壁厚>15㎜时, 焊前要预热至150～200℃, 壁厚>10㎜的焊件, 焊后要进行660～690℃的消除应力热处理。
c.SA-335P22
SA335P22属于2.25Cr-1Mo型钢材, 具有较高的热强性。该钢有一定的冷裂和淬硬倾向, 因此必须采取焊前预热、 控制层间温度、 焊后后热、 消氢及热处理等工艺措施。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, 焊接时具有明显的冷裂倾向。经过大量的工艺试验研究及工艺评定, P91大口径管已经成功的用于锅炉过热器和再热器集箱产品的制造。大口径P91管的焊接采用了TIG+SMAW+SAW的组合焊接工艺。TIG焊打底时, 背面应采用氩气保护, 实现单面焊双面成型。焊接材料选用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, 获得了综合力学性能良好的焊接接头。
为了防止冷裂纹的产生, 焊条电弧焊和埋弧自动焊焊前焊件预热温度应≥250℃, 手工氩弧焊焊件的预热温度为≥150℃。焊接时最高层间温度控制在350℃。
为了提高接头的力学性能, 在焊接时采用小的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℃的热处理, 焊接接头的综合力学性能良好。
e. SA-335P92
P92是在P91合金成份的基础上添加W和少量B来实现, W起固溶强化作用, 能有效降低M23C6碳化物长大的速度, 少量B起到多元强化作用, 提高晶界的高温强度。
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
首层根部焊道采用M-GTAW工艺焊接, 然后用SMAW工艺过渡并采用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℃
采用短弧焊接, 焊接过程中严格控制热输入, 收弧时注意填满弧坑。摆动焊接的宽度不得超过电极直径的2.5倍。
保护气体: 氩弧焊, Ar气体流量15-20L/min, 背面保护气体为Ar, 气体流量10-20L/min, 根部充氩保持至少焊接三层以上。
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) 小口径管的焊接
小口径管对接焊口主要使用机械焊方法焊接。当前, 对于低合金钢小口径管的对接接头主要采用TIG＋MIG、 热丝TIG、 自动TIG等焊接方法, 难以实现自动焊的位置采用手工氩弧焊工艺方法。小口径不锈钢管对接焊采用手工氩弧焊、 自动TIG方法焊接。
a.SA-213TP347H
SA-213TP347H是用铌稳定的奥氏体不锈钢。具有良好的组织稳定性、 较高的持久强度、 良好的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, 因而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用E347H, MIG焊采用ER347H, 从而提高了焊接接头的抗裂性能。
若SA-213TP347H与铁素体类材料进行异种钢焊接, 因镍基合金的热膨胀系数介于SA-213TP347H与铁素体类材料之间, 因此采用ERNiCr3或ENiCrFe-3型号焊丝或焊条。该材料有热裂倾向, 焊接时应采用较小的焊接热输入。因该钢材钢水较粘, 为保证坡口两侧熔合良好, 采用比一般铁素体钢稍大的坡口角度。
b.SA-213T11和SA-335T22
SA-213T11是与SA-335P11具有相同化学成分和强度等级的低合金耐热无缝钢管, 具有良好的工艺性能及焊接性。SA213T22与SA-335P22同属于2.25Cr1Mo型钢材, 具有较高的热强性。焊接特点和焊接要求参见SA-335P11和SA335P2的焊接。
c.SA-213T91
T91管对接一般采用自动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。焊接时采用小电流, 短弧操作, 管内部氩气保护。收弧时要采用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, 由于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的预热时间, 背面充氩气保护MIG焊填充φ0.8mm MGS-9Cb焊丝。
所有T91管对接焊缝, 不论是同种钢还是异种钢接头, 焊后24小时内必须进行焊后热处理。