超(超)临界锅炉用新型耐热钢的焊接及热处理.ppt
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1、1超(超)临界锅炉用新型耐热钢的焊接及热处理2提要:带来的问题中国选择的解决办法发展火电环保超(超)主要技术难题临界机组材料、焊接及热处理技术31、引言、引言中国电力工业的发展历程和现状年代装机容量1949年末184.86万千瓦1980年6500万千瓦1987年1亿千瓦1995年2亿千瓦2000年3亿千瓦2004年4.4亿千瓦2005年5.17亿千瓦42005年发电量达24747亿千瓦时。其中火电24975亿千瓦时,水电3952亿千瓦时,核电523亿千瓦时。全国发电装机容量和全年发电量均居世界第二位。但是我国年人均用电量为1894.17千瓦时,相当于美国的1/7,日本的1/4,韩国的1/3。年
2、人均生活用电量仅为217千瓦时,相当于美国的1/20,日本1/10。因此发展仍然是电力工业首要的和长期的任务。5截止2005年底火电装机100MW199MW燃煤火电机组447台200MW299MW燃煤火电机组225台300MW399MW燃煤火电机组339台(含超临界300MW4)500MW900MW燃煤火电机组83台(含超临界500MW4,600MW10,800MW2,900MW2)全国装机容量超过1000MW电厂130座,其中火电104座,水电22座,核电4座62020年全社会用电达到4500052000亿千瓦时左右,需要装机11亿千瓦左右。我国电力发展的基本方针是:提高能源效率,保护生态环
3、境,加强电网建设,大力开发水电,优化发展煤电,积极发展核电,适度发展天然气发电,鼓励新能源发电。我国能源以煤碳为主,所以我国的能源发展政策是煤为主体,电为中心,保障社会经济的可持续发展。优化发展煤电,主要是提高燃煤发电机组的效率和减少污染物的排放。7发展燃煤发电机组,必然带来巨大的环境压力,烟气排放中会有更多的SOx、Nox和CO2,并排出大量的灰渣和污水。2005年我国煤炭年产量为21.9亿吨,但火力发电用煤约占全国煤炭总产量的50%,燃煤发电产生的灰渣约占全国灰渣的70%、烟尘排放约占全国工业排放的33%、二氧化硫排放约占全国工业排放的56%。优化发展煤电,提高火电机组效率、减少污染的洁净
4、煤发电技术有:循环流化床(CFBC)、增压流化床(PFBC)、整体煤气化联合循环(IGCC)及超临界(SC)与超超临界(USC)。8但是,CFBC、PFBC、IGCC等技术处于试验或示范阶段,在我国近期广泛发展是不现实的。从技术难度和现实性看,SC和USC配以常规的烟气净化装置已公认是一种洁净煤发电技术,是优化煤电结构的主要方向。符合当前中国的实际情况。9亚临界火电机组蒸汽参数:P=1619MPa,T=538/538或T=540/540。当蒸汽参数超过水临界状态点的参数(P=22.129MPa,T=374.12),统称为超临界机组,(Supercritical)以(SC)表示。一般超临界机组的
5、蒸汽压力为2426MPa,其典型参数:P=24.1MPa、538/538;我国正在建造的600MW超临界机组的参数为:P=25.4MPa、538/566;或P=25.4MPa、566/566。10超超临界机组实际上是在超临界机组参数的基础上进一步提高蒸汽压力和温度,国际上通常把主蒸汽压力在24.131MPa、主蒸汽/再热蒸汽温度为580600/580610机组定义为高效超临界机组,即通常所说的超超临界(USC)机组。国内正在建设的超超临界机组(USC)的主蒸汽P=2526.5MPa、T=600/600。112010年前预计建造:600MW超临界机组约130台超超临界机组600MW10台(营口2
6、台,阚山2台,河源2台,芜湖2台,铁岭2台)1000MW38台(玉环4台,邹县2台,外高桥三期2台,泰州2台,宁海2台,绥中2台,海门2台,平海2台,莱州2台,天津北疆4台,句容2台,蒲圻2台,北仑港2台,哈三2台,谏壁2台,古城2台,乌沙山2台,宁德2台)122.发展高效率、高参数、大容发展高效率、高参数、大容量量SC、USC机组是当代世界火机组是当代世界火力发电的共同发展趋势力发电的共同发展趋势2.1 火电机组锅炉蒸汽温度、压力参火电机组锅炉蒸汽温度、压力参数的发展和选用数的发展和选用 13表2.1蒸汽参数与机组效率关系(IHI提供)型式亚临界变压超临界定压变压蒸汽参数(满负荷)169Kg
7、/cm2538/538246Kg/cm2538/538246Kg/cm2538/538效率100%负荷基准+1.7%+1.7%+2.4%50%负荷基准+0.4%+2.3%+3.0%14图2.1蒸汽参数与机组效率的关系(三菱提供)15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.(见表1.1蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系)1617IHI公司和三菱公司蒸参数选用的发展历史分别见图2.2、图2.3。图2.2IHI公司锅炉蒸汽参数发展历史18图2.3三菱重工公司锅炉蒸汽参数发展历史192021提高蒸汽参数遇到的主要提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材料耐高技术难题是金属材
8、料耐高温、高压及焊接、热处理温、高压及焊接、热处理问题问题。22由于具有划时代意义的由于具有划时代意义的T91/P91钢的钢的研制成功,到研制成功,到20世纪世纪90年代初和年代初和90年年代末,电站锅炉蒸汽温度参数分别达代末,电站锅炉蒸汽温度参数分别达到到593和和610。显而易见,从。显而易见,从20世世纪纪50年代初到年代初到90年代末的年代末的40年间,电年间,电站锅炉用耐热钢发生了一场质的变革,站锅炉用耐热钢发生了一场质的变革,这也必然促进了电站焊接技术的发展。这也必然促进了电站焊接技术的发展。23我国正在建设的300MW及以上的亚临界、超临界火电机组,已经采用了这种新型细晶强韧化铁
9、素体耐热钢系列中的SA213-T91、SA335-P91;将要建设的USC火电机组还要大量采用这种新型细晶强韧化铁素体耐热钢系列中的SA213-T91、T92、E911、T122;SA335-P91、P92、P122及新型奥氏体耐热钢Super304H、TP347HFG、HR3C。24广大电站焊接工作者必须转变几十广大电站焊接工作者必须转变几十年来焊接传统的低合金耐热钢形成的年来焊接传统的低合金耐热钢形成的观念。对这种新型耐热钢的强化机理、观念。对这种新型耐热钢的强化机理、焊接性、焊接工艺、热处理工艺、检焊接性、焊接工艺、热处理工艺、检验方法、焊工培训及焊接管理等方面验方法、焊工培训及焊接管理
10、等方面进行深入的研究和实践,加大电站焊进行深入的研究和实践,加大电站焊接科研力度,加大对焊接及相关专业接科研力度,加大对焊接及相关专业人员的技术培训,进一步提高专业技人员的技术培训,进一步提高专业技术素质,以保证我国火电发展目标的术素质,以保证我国火电发展目标的实现。实现。252.2 我国与国外在超临界机、超超临界机组方面的比较2627国家科技部863计划“超超临界燃煤发电技术”课题研究结论:推荐现阶段我国发展超超临界机组参数为:25MPa28MPa,温度为600/600,一次再热。28目前世界上运行的超临界及以上参数机组大约有600台,其中美国170台,日本、欧洲各60台,俄罗斯及原东欧国家
11、280余台;有10台1000MW级的超超临界机组已投入运行。2930由此可见,我国在发展超临界、由此可见,我国在发展超临界、超超临界机组方面,特别是在国超超临界机组方面,特别是在国产化方面与国外先进国家还有相产化方面与国外先进国家还有相当大的差距。当大的差距。313.3.SCSC、USCUSC锅炉用钢发展趋势锅炉用钢发展趋势 323.1 3.1 锅炉用钢的发展历程锅炉用钢的发展历程 3.1.1铁素体钢铁素体钢 铁素体钢的发展可以分为两条主线,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;二是横向的通过填加V、Nb、Mo、o等合金元素,小时的蠕变断裂强度由35Mpa级向6
12、0MPa级、100MPa级、140MPa级、180MPa级发展。3334353.1.1.1 低合金耐热钢低合金耐热钢低合金耐热钢其含Cr3,含Mo1%,是壁温580的亚临界以下参数锅炉的常用钢材。363.1.1.2EM12钢的开发60年代比利时开发,法国用于620的过热器和再热器管。由于该钢种是二元结构,冲击韧性差,后来未得到广泛应用。373.1.1.3钢102的开发多元复合强化耐热钢,主要用于壁温600的过热器、再热器管。383.1.1.4 T233.1.1.4 T23(HCM2SHCM2S)、)、T24T24钢钢的开发的开发 T23、T24钢是超超临界锅炉上部水冷壁钢是超超临界锅炉上部水冷
13、壁的最佳选择材料;并可应用于壁温的最佳选择材料;并可应用于壁温600的高温过热器、再热器管。的高温过热器、再热器管。P23可以用于可以用于壁温壁温600的联箱。的联箱。393.1.1.5 F113.1.1.5 F11、F12F12的开发的开发德国于60年代开发,用于壁温达610的过热器和壁温达650的再热器以及壁温为540560的联箱和蒸汽管道,但其含碳量高,焊接性差。目前已不生产。403.1.1.6 3.1.1.6 典型的新型铁素体耐典型的新型铁素体耐热钢热钢T91/P91T91/P91钢的开发钢的开发T91/P91钢的研制成功具有划时代意义。成功地把电站锅炉蒸汽温度参数提高到593610。
14、413.1.1.7 T92/P92、T122/P122、E911钢的开发钢的开发在腐蚀条件比较小的情况下,仅从蠕变断裂强度考虑,T92、T12、E911在壁温620时完全可以取代超临界和超超临界锅炉中过热器、再热器的奥氏体钢管。P92、P122、E911可用于壁温620时的主蒸汽管道。42图3.1许用应力与温度的关系曲线43表3.2T92与奥氏体钢在高温下许用应力的对比许用应力(Kg/cm2)600625650NF6168.76.84.8SUS321H6.95.23.9SUS347H7.85.74.2NF616/SUS321H1.261.311.23NF616/SUS347H1.121.191
15、.1444图3.2主蒸汽管选用材料的比较453.1.1.8 NF12、SAVE12新型新型铁素体耐热钢的开发铁素体耐热钢的开发 NF12、SAVE12钢是为了提高超超临界锅炉效率正在开发的能够用于650 的铁素体耐热钢。463.3 典型的铁素体耐热钢蠕变断裂强度 47483.1.2奥氏体钢奥氏体钢的发展见图3.54950513.1.2.13.1.2.1新型细晶奥氏体耐热钢新型细晶奥氏体耐热钢Super304HSuper304H的开发的开发 Super304H是TP304H的改进型,添加了3Cu和0.4Nb获得了极高的蠕变断裂强度,600-650许用应力比TP304H高30%,是超超临界锅炉过热
16、器、再热器的首选材料。523.1.2.2TP347HFG的开发TP347HFG钢是通过特定的热加工和热处理工艺得到的细晶奥氏体耐热钢。比TP347H粗晶钢的许用应力高20%以上。TP347HFG钢抗蒸汽氧化能力强,已被广泛应用于超超临界机组锅炉过热器、再器热管。533.1.2.3 HR3C钢的开发HR3C是日本住友金属命名的钢牌号,在日本JIS标准中的材料牌号为SUS310JITB,正在ASME标准中的材料牌号为TP310Nb。HR3C钢是TP310耐热钢的改良钢种。在TP347H耐热钢乃至新型奥氏体耐热钢Susper304H和TP347HFG钢不能满足向火侧抗烟气腐蚀和内壁抗蒸汽氧化的工况下
17、,应选用HR3C耐热钢。543.2 超临界、超超临界锅炉关键承压部件用钢要求锅炉中关键承压部件包括水冷壁、过热器、锅炉中关键承压部件包括水冷壁、过热器、再热器、联箱及管道等。再热器、联箱及管道等。553.2.3.2.1.水冷壁T23(HCM2S)/T24(7CrMoVTiB10-10)许用金属壁温可达600,是蒸汽温度620以下锅炉上部水冷壁的最佳用钢。56水冷壁材料蠕变断裂强度573.2.2过热器、再热器过热器、再热器管的金属壁温比蒸汽温度高出达2539(我国规定为50)。在燃煤含硫量低、烟气腐蚀性较小的条件下,仅从蠕变断裂强度考虑,当蒸汽温度为538(壁温580),选用T22钢;58当蒸汽
18、温度为565时(壁温600),选用T23、T91钢管;当蒸汽温度为593时(壁温620),选用T92、P122、E911钢管。然而,在有腐蚀的条件下,即使最好的铁素体钢管也要受限于565的蒸汽温度,此时要选用奥氏体钢管。59采用含硫量高、腐蚀性大的燃煤时,在壁温600时,应选择TP304H、TP321H、TP316H、TP347H奥氏体耐热钢。当蒸汽温度600(壁温650)时应选择细晶奥氏体耐热钢Super304H和TP347HFG。当壁温达700时,只能选用高铬耐热钢NF709、SAVE25和HR3C等。6018Cr-8Ni和15Cr钢许用应力的比较61含铬量20%以上的高铬奥氏体合金许用应
19、力的比较62许用应力为49MPa时许用温度与铬含量的关系比较63铁素体钢热腐蚀重量损失和温度的关系64各种合金热腐蚀重量损失和Cr含量的关系65各种合金火侧抗腐蚀性能比较663.2.3.联箱与管道蒸汽管道和联箱等厚壁承压部件,为了减少热疲劳损伤和提高蠕变强度,其用钢主要集中在热膨胀系数小的912%Cr铁素体耐热钢的发展。当壁温600时,选用P91钢;当壁温620时,选用P92、P122和E911钢;当壁温650时,选用NF12和SAVE12钢。67铁素体耐热钢的许用应力68设计温度为570和600的主蒸汽管道许用应力比较6931MPa时P-22、P-91、P-122钢联箱材料的价格比较70SC
20、/USC锅炉承压部件用钢选择承压部件超临界超超临界水冷壁T1,T2,T11T1,T2,T11;T23/T24过热器再热器T12,T23,T91,TP304H,TP347HT12,T23,T91,Super304H,TP347HFG,HR3C主汽P91P92/P122/E911再热冷段Al672B70CL32A691Cr1-1/4CL22再热热段P91P91给水管道WB36WB3671727374757677787980813.3新型耐热钢的应用概况82我国超临界机组应用新型耐热钢概况83新型耐热钢在日本超超临界机组中的应用84新型耐热钢在欧洲超超临界机组中的应用854.4.火电大机组焊接技术火
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