耐热钢的焊接一本书.docx

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耐热钢的焊接一本书

第一章我国电力工业的发展沿革

第一节中国电力工业的发展历程和现状

　　一、中国电力工业发展的历程

　　自1882年我国建设第一座发电厂到现在，中国的电力工业经过了120多年的发展历程。

解放前，由于殖民和封建统治，国内连年战乱，电力工业发展速度缓慢。

到1911年辛亥革命时，全国装机容量约为25MW，1936午抗日战争爆发前为1040MW，1945年抗日战争胜利前为2480MW，抗日战争胜利后，前苏军拆走发电设备970MW，到1949年末全国解放时，仅为1848．6MW，

　　新中国成立后，国家大力发展电力工业。

从第—个五年计划开始，在原苏联援助的156项重点工程中，有24项是发电厂，并从原捷克和原苏联引进了发电设备制造技术。

第一台国产6、12、25、50MW火电机组，相继于1956~1959年在淮南田家庵、重庆、闸北和辽宁发电厂投运发电。

国产第—台100、125、200、300MW火电机组，又于196741974年间在高井、吴泾、朝阳和望亭发电厂投产发电。

截至1980年，全国装机容量为65000MW，是1949年的35倍。

　　党的十一届三中全会后，在以经济建设为中心和改革开放方针政策的指导下，我国的电力工业发生了迅猛的发展。

1981年，电力工业率先从美国CE公司引进亚临界300、600MW火电机组制造技术和电厂设计技术，使火电设备走上了更新换代的发展之路。

1987年，第一台引进型国产300M'W机组在山东石横电厂投入运行；1989年，第一台引进型国产600MW机组在安徽平圩电厂投入运行。

1987年、1995年和2000年全国装机容量分别突破1亿千瓦、2亿千瓦和3亿千瓦；至2004年底，全国总装机容量达到了4．407亿千瓦，全年总发电量达21870亿千瓦时，全国总装机容量和全年总发电量均居世界第二位。

　　二、中国火力发电的现状

　　从1949年至今，在各个发展时期的电源结构中，火力发电都占到?

o％以上的比例。

到2004年底，全国火电总装机容量为3．249亿千瓦，占全国总装机容量的?

3．72％；火电全年发电量为18073亿千瓦时，占全国全年总发电量的82．64％。

　　随着电力工业的迅速发展，目前300、600MW的亚临界火电机组已成为中国各大电网中的主力机组。

到2004年底，全国装机容量达到1000MW及以上的发电厂有116座，其中火力发电厂有91座。

单机容量为300~399MW的火电机组328台；500~900MW的火电机组62台。

　　自20世纪80年代末，我国开始重视发展超临界机组，并先后从国外引进20台超临界机组，分布在上海石洞口二厂等日个电厂。

单机容量最大的机组是上海外高桥电厂的900MW超临界机组。

各种类型和规模的火力发电厂遍布全国，如点点繁星，镶嵌在祖国的大地上，成为中国经济建设和人民生活的动力之源、光明之源。

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三、中国火力发电机组蒸汽参数发展历程

图1-1所示为中国火力发电机组汽轮机入口蒸汽参数的发展历程。

　　1956年以前，中国的火力发电机组均为低温低压和中温中压机组，蒸汽参数均低于3．8MPa和450℃，容量仅为6~12MW。

　　1956年至20世纪60年代末，是中国高温高压火电机组起步发展的阶段。

其中的代表机组为：

1958年在上海闸北电厂投产的25MW机组以及1959年在辽宁发电厂投产的50MW机组，它们的蒸汽参数均为9．8MPa和510~585℃；1967年在北京高井电厂投产的100MW机组，蒸汽参数为9．8MPa和540℃，以上机组均为无中间再热机组。

　　20世纪60年代末至70年代初，国产超高压中间再热机组投入运行。

其中代表机组为；1969年9月在上海吴泾热电厂投产的125MW机组以及1972年5月在辽宁朝阳发电厂投产的200MW机组，它们的蒸汽参数均为13．7MPa和540／540℃（125MW机组原为555℃，后降为540℃）；1974年9月在望亭发电厂投产的300MW机组，锅炉为直流UP炉，蒸汽参数为16。

?

MPa和540／540℃（原为555℃，后降为540℃）。

　　20世纪80年代末，国产亚临界300、600MW机组投入运行。

其中代表机组为：

1987年6月在{b东石横发电厂投产的300MW机组和1989年11月在安徽淮南平圩发电厂投产的600MW机组，蒸汽参数均为18．29MPa和540／540~C。

　　20世纪90年代初，开始从国外引进超临界机组，至2004年共引进20台超临界机组。

其中代表机组为：

1992年6月、12月在华能上海石洞口二厂投产的l号、2号600MW机组，蒸汽参数为25．4MPa和538／566℃。

　　从国外引进设计、制造技术而生产的1000MW级超超临界机组，将分别安装在华能国际玉环电厂和华电国际邹县发电厂，计划2007年投人运行，届时中国火力发电机组的蒸汽参数将达到26．25MPa和600／600℃的世界先进水平。

　　第二节提高火力发电厂效率的方法

　　根据党的十六大所确定的全面建设小康社会的经济发展目标，2020年全社会用电将达到39400~43200亿千瓦时左右，需要装机8．2～9．5亿千瓦。

因此，今后20年，我国在

第二章锅炉用新型耐热钢发展现状

　　随着火电锅炉用耐热钢的发展，从20世纪60～90年代，经过近40年的努力，火电锅炉经历了从超高压（13～15MPa，t≤540℃）、亚临界（16～19MPa，t~540℃）、超临界（24~26MPa，t<~566℃）到超超临界（24—31MPa，t≥580℃）的发展历程，而超临界、超超临界压力机组则是今后相当长时期内火力发电的主要发展方向之一。

　　为了发展高效率的超超临界机组，从20世纪80年代初开始，美国、日本和欧洲就已投入了大量的财力和研究人员来开展各自的新材料研发。

这些材料分别针对不同参数级别的机组：

593℃级别（包括欧洲的580℃机组和日本的600℃机组）、620℃级别、650~C级别和正在研发之中的更高温度级别的机组。

新开发的耐热材料在投入正式使用之前，进行了大量的实验室和实机验证试验。

到目前为止，欧洲已经成功地投运了主蒸汽温度为580℃的超超临界机组，日本投运了主蒸汽温度为600℃的机组。

从材料的实机验证结果来看，目前国际上成熟的材料已经可以用于建造蒸汽温度为620℃的机组。

　　第一节超（超）临界锅炉用新型耐热钢发展历史

　　一、锅炉用钢的发展历程

　　第一章第二节说明了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，可由于长期以来受到耐热钢耐温性能的限制，只能用提高蒸汽压力来提高机组效率。

若锅炉蒸汽温度不提高，仅依靠提高锅炉蒸汽压力来提高机组效率，就意味着必然要选用蠕变断裂强度低、使用温度低的耐热钢，如12CrlMoV、lOCrM0910、15CrlMolV等。

当锅炉蒸汽压力从13．7MPa提高到16．7MPa乃至25．5MPa时，就必须使管道的壁厚大大增厚。

平圩电厂亚临界600MW机组，主蒸汽管选用P22钢，管子规格为∮673X103mm；石洞口二厂超临界600MW机组主蒸汽管选用P22钢，管子规格为∮654X136．5mm。

　　管道壁厚的增加，给焊接、热处理、弯管、探伤等下艺带来了很多的困难，管壁厚度的增加更会引起热应力的剧增，加剧管道的热疲劳损伤。

此外，当选用大壁厚管道时，管道和保温材料的重量还会大幅增加管系的重量，从而自管系、支吊架到厂房架构的强度与刚度都成了设计部门要特别考虑的问题。

　　由此可见，要提高大型火电机组效率，首先要提高锅炉蒸汽温度，因此世界各国的冶金工作者一直在致力于开发与研制锅炉用耐热钢，使它们能使用于更高的温度区间。

　　就目前世界各国发展情况看，锅炉和管道用钢的发展可以分为两个方向，一是铁素体耐热钢的发展；另一是奥氏体耐热钢的发展。

所谓珠光体、贝氏体、马氏体耐热钢，按国际惯例，统称为铁素体耐热钢。

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　　1．铁素体耐热钢

　　铁素体耐热钢的发展可以分为两条主线，一是逐渐提高主要耐热合金元素cr的成分，从2．25Cr提高到12Cr；二是通过添加V、Nb、Mo、W、Co等合金元素，使钢的600~C10^5h蠕变断裂强度由35MPa逐步提高到60、100、140、180MPa。

图2—1给出了铁索体耐热钢的现状及发展趋势。

（1）低合金耐热钢。

20世纪50年代，电站锅炉钢管大多采用含Cr≤3％，含Mo≤1％的铁素体耐热钢，其典型钢种及最高使用壁温为：

　　15Mo≤530℃　　12CrMo≤540℃　　15CrMo≤540℃

　　12CrlMoV≤580℃　　15CrlMolV5≤80℃　　10CrM0910≤580℃

　　当时，在壁温超过580~C时，一般都需要使用奥氏体耐热钢TP304H、TP347H（≤700℃），然而由于其价格昂贵、导热系数低、热膨胀系数大及存在应力腐蚀裂纹倾向等缺点，不可能被大量采用，故世界各国从20世纪60年代初开始，进行了长达30多年的试验研究，来开发适用于温度为580~650~C范围内的锅炉用耐热钢。

（2）EMl2钢的开发。

20世纪50年代末，比利时Liege冶金研究中心研究了“超级9Cr”钢，其化学成分为9Cr-2Mo，并添加了Nb、V等合金元素，材料牌号为EMl2。

法国瓦鲁瑞克公司生产出EMl2的过热器管（化学成分见表2—1）。

1964年，法国电力公司批准EMl2钢管可用于620℃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。

　　（3）钢102的开发。

20世纪60年代初，中国按原苏联的耐热钢系列研究出了钢102（12Cr2MoWVTiB），推荐使用温度为620℃。

经长期使用经验证明，其使用温度以低于600℃为宜。

钢102主要用于壁温小于等于600℃的过热器、再热器管。

第三章细晶强韧型铁素体耐热钢的

　　冶金特点及其焊接性

　　第二章简要回顾了电站锅炉用钢的发展历程，如果再深入一步分析总结的话，就会发现：

铁素体耐热钢的发展，也是从单一地通过调整钢的成分进行强化开始，走到既调整钢的成分，又改造其成材加工工艺，达到既有高的蠕变断裂强度又有高韧度的。

为厂便于区分，把后者称为细晶强韧型铁素体耐热钢。

本章将简要说明细晶强韧型铁素体耐热钢的由来、它们的化学成分和力学性能特点、这类钢材强韧化的途径以及这类强韧型铁素体耐热钢的焊接性能。

　　第一节细晶强韧型铁素体耐热钢的由来

　　20世纪40年代以后，人们从经验教训中认识到，韧度是反映材料抵抗脆性的灾难性破坏的能力。

对结构用钢材来说，除了要有足够的强度外，还应该具有充分的塑性和韧度。

尽管设计时采用的仍然是强度准则，但对于重要结构，还必须考核使用于该结构的材料的韧度。

对于在那个年代广泛使用的材料（Os≤350MPa）来说，要求它在使用温度下的V形缺口夏比冲击功不得低于20．3J。

但是稍后又发现20．3J这个界限不能适用于所有强度等级的钢和不同的结构。

随着材料强度的提高，由于冲击功中弹性功的比例增大，对遏止脆性破坏起重要作用的塑性变形功和撕裂功必然减小，因此必须要求材料在强度提高的同时，其韧度也有相应的提高。

我国和许多国家都为此制定有相应的标准，如ASME规定了对不同强度等级的碳钢和低合金结构钢的韧度要求，见表3—1。

此外，除了强度等级外，在设计时还需要根据结构重要性的增加和结构尺寸的增大与增厚，对材料的韧度要求作相应地提高。

可是传统工艺生产的钢，往往随着材料强度的提高，材料的塑性和韧度总是有所降低的。

于是在1960年前后提出了发展高强度高韧度的强韧化结构钢的要求。

经过十多年的努力，冶金工作者成功地开发出了一系列适用于450℃以下常温工作的结构用高强度钢材和0℃以下低温工作构件用的高强度钢材。

这些材料不仅强度高，而且在强度高的同时，韧度也被大幅度地提高了。

它们已经很成功地在相应的领域中使用，取得了很好的效益。

管线钢X60、X70就是一个突出的例子，通常把这一类钢称为强韧化钢。

火力发电厂锅炉用的铁素体耐热钢的发展大致也有这样的认识过程。

　　图3—l是美国电力研究所（EPRl）在1984年总结的世界各国火电机组参数的演变历史。

图中蒸汽温度为6500（2、压力为34MPa的300MW机组早在1960年2月就已在美国Philadelphia电力公司开始商业运行了。

高的蒸汽参数获得了诱人的热效率，但这是以大量

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使用高Ni、cr合金的奥氏体材料为代价的。

该机组的主蒸汽管道和联箱都采用了AISl316钢，其尺寸分别为∮508X184．15mm和∮228，6X63．5mm。

虽然Ni-Cr奥氏体材料的高温强度稳定，可是由于具有导热差、线胀系数大、热应力大以及对热疲劳和应力腐蚀敏感等缺点，机组运行不到20年，该机组的主蒸汽管道和联箱就出现许多裂纹而泄漏，其中直径较小、壁厚较薄的集箱管也仅在运行2．5万h、启停77次后，内表面就开始开裂，不得不在20世纪80年代初就大量更换管道。

图3—2为泄漏的主蒸汽管裂纹的宏观和微观照片。

可见，采用这种强度不高的奥氏体钢做厚壁大直径构件的设计是不成功的，这种厚壁大直径构件应该用能够耐得住相应温度的铁素体耐热钢来制造。

这就是为什么在没有出现相应的铁素体耐热钢以前，再也没有更多家电力公司来效仿制造这样参数的机组的缘故。

　　1960年以后，许多国家都投入了很大的人力和物力来研究和开发能够在蒸汽温度小于等于600℃的条件下工作的铁素体耐热钢。

一直以来，对火力发电机组用的高温材料的要求集中在其高温蠕变断裂强度指标方面。

长期以来，对用于高温承压部件钢管的要求是：

（1）足够的高温蠕变断裂强度和持久塑性。

（2）良好的高温组织稳定性。

　　（3）良好的高温抗氧化性。

　　（4）良好的加工工艺性。

　　对常温韧性没有明确要求。

在这种观念下研究和开发电站用铁素体耐热钢的工作大多都是沿着固溶强化、析出强化、位错强化的思路进行的，研制出的铁素体耐热钢都随着高温强度的提高，而其常温塑性和韧度却明显降低。

这样的材料在相当程度上制约了20世纪60年代以后电站锅炉蒸汽参数的发展和提高，图3—l和图1—3描述了这个过程。

　　在这个时期开发出了一系列高温强度较高的铁素体耐热钢，如钢102（12Cr2MoVWTiB）、II11（12Cr3MoVSiTiB）、EMl2（9Cr2MoV）、X20（X20CrMoVl21）

第四章SA213-T23、SA213-T24钢的性能及焊接

SA213-T23、SA213-T24

　　钢的性能及焊接

　　在普通的超临界机组（参数为25．0MPa、540／540℃或25．OMPa、540／566℃）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、Tll和T12等均可以满足使用要求。

可是超超临界（USC）锅炉水冷壁的运行压力和温度都有明显的提高，例如在31MPa／620℃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一贝氏体耐热钢，如ASTMA213-T12（13CrM044）和ASTMA213-T22（10CrM0910）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550~570℃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。

T23／P23和T24钢和T24／P24钢就是适应这种要求的材料。

　　图4—1给出了T23和T24钢的设计思路。

从图中可以看到，它们大都以良好的焊接性、优良的韧性、充分高的蠕变强度和不需要焊后热处理作为四个目标，是在2．25CrMo钢的

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基础上，通过降低碳含量和添加W（以便加强固溶强化的作用）、添加V、Nb、B（起着微合金化和弥散析出强化作用）而获得的材料。

　　第一节Tf3、T24钢的化学成分及其主要物理性能

1．T23、T24钢的化学成分目前，可见到的T23和T24钢的标准、钢号和它们相应的化学成分，见表4-1。

　　由表4-1从成分上可以看到，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0．04％～0.10％。

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。

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，T24／P24还可以在500~550℃范围内作为9％Cr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1060±10℃，T24钢的正火温度是1000土10℃。

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760±15℃和750±4-15℃。

　　2．T23、T24钢的主要物理性能

　　表4-2表示了T23、T24钢的主要物理性能。

第五章SA213-T9重／SA335-P91钢的性能及焊接

　　1974年，美国能源部委托橡树岭国家试验室（ORNL）与燃烧工程公司（CE）联合研究用于液体金属快中子增殖堆计划的钢材，开始在9Cr的墓础上进行改进工作，改进了的9Cr-lMo钢（Modified9CrlMo）各个方面的性能都优于EMl2和F12（X20CrMoVl2”，它在593℃下10万小时的蠕变断裂强度可以达到i（x）MPa。

1983年和1984年，美国ASME将T91／P91纳入了标准，表示为SA213-T91／SAS35-P91。

这种钢在法国标准中表示为TUZl0CrVNbg-10，德国DIN标准中表示为X10CrMoV91。

1987年，法国瓦鲁瑞克公司针对T91与F12和EMl2三种钢的比较和评估，发表了技术报告，认为T91钢有明显的优点，强调要从EMl2转为使用Tgl／P91。

20世纪日。

年代末，德国也从F12转向T91／P91，并进—步发展了焊接材料。

　　20世纪90年代以来，T91／P91钢在世界范围内获得广泛应用。

瓦鲁瑞克一曼内斯曼钢管公司统计了1990~2000年间该公司生产的T91／Pgl钢钢管的应用情况，见表5—1。

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　　表中只是瓦鲁瑞克一曼内斯曼（VGLM）钢管公司产品在20世纪90年代的应用情况。

其实，在20世纪90年代中期，我国陕西的蒲城、天津杨柳青、四川的珞璜等电厂也已经使用了P91钢的主蒸汽管道。

至于T91钢，则应用得更早和更广，华北电力集团公司所属的一些老机组在20世纪90年代后期，都陆续在原国产过热器上将钢102钢管更换为T91钢，如山西大同二电厂、石景山热电厂、唐山陡河发电厂等，都获得了较好的效果，这种情况在全国就更多了。

　　第一节T91／P91钢的化学成分和主要物理性能

　　LT91／P91钢的化学成分和强化原理

　　T91／P91钢的化学成分详见第三章中的表3—2。

为了比较，在同一个表中也列出了EiM12钢的成分。

关于它们的化学成分特点和它们的强化原理详见第三章的第二和第三节，本章不再赘述。

这里把T91／P91钢和EMl2、SA-335P9钢在炼制和成材加工中的差别归纳如下：

（1）大幅度提高了Tg]／P91钢钢质的纯净度，把杂质含量控制在≤10～15X10…g／g水平；同时也明显降低厂碳的含量。

而EMl2、SA-335P9等钢的杂质在25—30X10—‘g／g的水平，同时碳含量也较高。

（2）T91／Pgl钢采用了Nb、V、N进行微合金化。

　　（3）Tgl／P91钢采用了控轧控冷的（TMCP）成材加X：

T艺。

　　在强化原理方面的差别是：

EMl2、P9等钢主要是依靠了固溶、合金碳化物析出和位错获得常温和高温强度的。

而T91／P91钢则除了固溶、合金碳化物析出外，更大程度上由于细化晶粒、析出弥散细小的Nb、V的碳、氮化合物（MX相）和高密度位错取得室温和更高的高温强度的。

此外，T91／Pgl钢除了具有更高的强度以外，还具有优异的韧性。

　　2．T91／P91钢的主要物理性能

　　T91／P91钢有小于不锈钢且更加接近P22钢的线膨胀系数和良好的导热性，见图4—2和图4—3，图5—l则给出了T91／P91钢在不同温度下的弹性模量。

　　3．T91／P91钢的临界温度和CCT图

　　根据化学成分在上下限间的波动，T91／P91钢的Acl和Ac3为：

Ac1在800一830℃之间；Ac3在890~940℃之间。

T91／P91钢的连续冷却转变曲线（CCT图）如图5-2所示。

第六章SA213~T92JSA335-P92和E911钢的性能及焊接

　　继Tgl／P91钢以后，欧洲和日本开始对TPl／P91钢进行改进，以期进一步提高蠕变断裂强度和使用温度。

1996～1998年，开发出了9Cr-0．5Mo-2W为主要成分的NF616和X10CrMoWVNb9-2钢，并已分别纳入ASTM和ASME标准。

在ASTM中，NF616钢的编号为ASTMA213T92／ASTMA335P92，在欧洲的编号为Xt0CrMoWVNb9-2，在日本的编号为STBA29／STPA29。

　　在欧洲，除了降低Mo含量并添加2％的W而开发的T92／P92钢外，还在Tgl／Pgl钢的基础上添加1％的W获得了常温及高温性能和T92／P92相当的钢Egll（XllCrMoWVNh9—1—1），这种钢的标准成分也一起列在表6-1中。

这两种钢的推荐使用温度都为≤625℃。

本章将以T92／P92钢为例进行讨论，同时也介绍E911（XllCrMoWVNbg-1—1）钢的相关特点。

　　这两种钢与Tgl／P91钢相比，它们的抗腐蚀性和抗氧化性与T91／P91钢相同，但是具有更高的高温强度和蠕变性能。

与TP347H相比，价格低廉，而且热膨胀系数小、导热率高和抗疲劳性能强，焊接性和可加工性好。

　　欧洲实践经验表明，T92钢适用于制作蒸汽温度在580一800℃之间、金属最高温度在600~620℃的锅炉本