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加強金屬材料監(jiān)督研究確保超超臨界機組安全運行

文檔作者：楊富1 張忠文2 吳軍2 文檔來源： 1 中國電力企業(yè)聯(lián)合會 2 山東電力研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月06日
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超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會論文集
1
加強金屬材料監(jiān)督研究
確保超超臨界機組安全運行
楊富1 張忠文2 吳軍2
（1 中國電力企業(yè)聯(lián)合會，北京，100761；2 山東電力研究院 濟南 250002）
引 言：“加強金屬材料監(jiān)督研究確保超超臨界機組可靠運行”一文是在2006 年10 月超超臨界火電機組協(xié)作網(wǎng)第二屆
年會（青島）上的專題報告。2007 年10 月21 日在中國電機工程學會電力建設(shè)專委會成立二十周年慶祝大會暨2007
年學術(shù)年會上，華能國際電力股份有限公司范夏夏副總經(jīng)理的專題報告“科學發(fā)展引領(lǐng)登攀——華能玉環(huán)電廠工程建
設(shè)和思考”中指出：“從長期工作來看，我們將特別關(guān)注和研究金屬材料在超超臨界工況下的持久性能。例如專門設(shè)立
科研項目，長期跟蹤研究高溫高壓管道的持久強度變化，研究鍋爐部件高溫強度的變化和熱疲勞性能，跟蹤監(jiān)督高溫
腐蝕情況和蒸汽側(cè)氧化情況。”這就充分說明一年前發(fā)表的本文，在實踐中得到了證實。今天再次把本文獻給“超（超）
臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會”，供同行參考。
摘 要：據(jù)不完全統(tǒng)計我國目前在建和規(guī)劃建設(shè)的超超臨界（USC）機組有近50 臺，其容量為600MW 和1000MW 兩
個級別，蒸汽參數(shù)為：汽機主汽入口設(shè)計壓力為25~26.5MPa，主蒸汽/再熱蒸汽溫度為600/600℃，預計這些機組將從
2007 年起陸續(xù)投入運行。為了確保未來USC 機組的安全運行，應盡早對USC 的關(guān)鍵技術(shù)——新型耐熱鋼（T92/P92、
T122/P122、Super304H 和HR3C）運行過程中的變化規(guī)律及損傷后的修復技術(shù)開展研究。
關(guān)鍵詞：超超臨界機組 技術(shù)監(jiān)督 安全運行 關(guān)鍵技術(shù) 新型耐熱鋼
0 序 言
根據(jù)黨的十六大確定的全面建設(shè)小康社會
的經(jīng)濟發(fā)展目標，我國經(jīng)濟正在穩(wěn)定快速的發(fā)
展，人民生活水平在不斷的提高，對電能的需求
不斷增加，預計到2020 年全國裝機容量將達到
10 億千瓦，其中火電裝機容量仍將占70%以上，
發(fā)展超超臨界機組將是我國火力發(fā)電提高效率、
節(jié)約能源、改善環(huán)境、降低發(fā)電成本的必然趨勢。
而USC 發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)是鍋爐蒸汽壓力及溫度
參數(shù)提高后所需采用的新型耐熱鋼的選擇、制造
和安裝過程中的焊接及熱處理工藝研究、運行后
的組織性能變化規(guī)律和金屬部件損壞后的修復
技術(shù)研究。
1 新型耐熱鋼的應用概況
新型耐熱鋼在日本USC 機組中的應用概況
如表1、表2 所示。新型耐熱鋼在歐洲USC 機組
中的應用概況如表3 所示。
新型耐熱鋼在我國USC 機組中的應用概況：
目前我國正在建造的600MW和1000MW級超超
臨界（壓力P=25~26.5MPa，溫度t=600/600℃）
機組數(shù)臺，根據(jù)有關(guān)資料介紹，擬采用的新型耐
熱鋼方案有多種，現(xiàn)歸納整理出三方案如表4 所
示，僅供參考。
從以上的資料對比中可以看出，日本USC 機
組主蒸汽管道材料選用日本住友生產(chǎn)的P122 鋼
管，歐洲USC 機組主蒸汽管道材料選用瓦盧瑞
克·曼內(nèi)斯曼鋼管廠生產(chǎn)的P92 鋼管，我國USC
機組主蒸汽管道材料選用美國威曼高登鍛造公
司生產(chǎn)的P92 鋼管。但是我國USC 機組參數(shù)，
在壓力上高于日本，在溫度上高于歐洲同類機
組。在主蒸汽管道選材方面，目前世界上并無一
臺相同的機型可供借鑒。因此，我國USC 機組運
行后，必須加強金屬材料監(jiān)督研究。
2 金屬材料監(jiān)督研究
應該指出，自1996 年以來，P92 鋼制的結(jié)構(gòu)
雖然已開始試驗性地用于一些電站項目中，但迄
今還未在電站建設(shè)項目中大規(guī)模采用，其主要原
因在于材料及焊接專家們還需要謹慎的實踐來
建立對這種材料的充分信心。需要認識在電站實
際服役條件下，經(jīng)過長期高溫高壓運行后，鋼材
顯微組織變化的規(guī)律以及認識由此帶來的對蠕
變斷裂強度和塑性韌性的影響。
超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會論文集
2
表1 主蒸汽管道選用HCM12A（P122）的日本超超臨界機組
電廠
鍋爐制造
廠
容量
MW
汽機參數(shù) 主蒸汽管
過熱器管
（不銹鋼）
投入運行
時間
橘灣
Tachibanawan2
日立BHK 1050 25/600/610 HCM12A SUPER304H 2001.07
舞鶴
Maizun1
900 24.5/595/595 HCM12A
HR3C
SUPER304H
2004.08
常陸那珂
Hitachinaka1
日立 1000 24.5/600/600 HCM12A SUPER304H 2003.12
磯子Isogo
（新#1）
600 25.5/600/610 HCM12A SUPER304H 2002.04
敦賀2 號
TSSURUGA2#
700 24.1/593/593 HCM12A
HR3C
SUPER304H
2000.10
芩北2 號
REIHOKU2#
700 24.1/593/593 HCM12A
HR3C
SUPER304H
2003.07
野5 號
HIRONO5#
700 24.5/600/600 HCM12A
HR3C
SUPER304H
2004.07
東厚真4 號 700 25/600/600 HCM12A SUPER304H 2002.06
表 2 日本超臨界機組使用NF616（P92）的情況
No. 出廠年代 數(shù)量 制造商 火力發(fā)電站 鍋爐功率 蒸汽條件
1 1996 年 小口徑管13 噸 石川島播磨重工業(yè)新日鐵/東海7 號 147MW
566℃/538℃
/16.6MPa
2 1997 年 小口徑管147 噸 石川島播磨重工業(yè)電源開發(fā)/橘灣1 號1050MW
600℃/610℃
/25MPa
3 1998 年 大口徑管*60 噸 巴布科克日立 電源開發(fā)/橘灣2 號1050MW
600℃/610℃
/25MPa
合計 220噸
*：尺寸 Φ500×70t，Φ596.9×97t，Φ635×106t
表 3 P92 鋼在歐洲電站項目應用實例
國家 項目名稱
內(nèi)徑×壁厚
（mm）
部件
主蒸汽溫度
（℃）
蒸汽壓
力（bar）
安裝時間
丹麥
VESTRAFT
3#機組
240×39 直管主蒸汽560 250 1996 年
丹麥 NORDJYLLANDSET 160×45 集箱 582 290 1996 年
德國
KIEL/GK
WESTFALEN
480×28
159×27
集箱
循環(huán)蒸汽
545
650
53
180
1997 年
1998 年
丹麥
AVEDORE 2/
ELKRAFT
400×25
490×30
主蒸汽管道
580（主蒸汽）
600（再熱蒸汽）
300
1999-
2001 年
超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會論文集
3
表4 新型耐熱鋼在我國1000MW 級超超臨界機組中的應用方案
部件 方案一 方案二 方案三
管圈類型 螺旋 垂直 垂直 垂直
水冷壁 管型 內(nèi)螺紋 光管 內(nèi)螺/光管 內(nèi)螺/光管
材料 T2 T12、T2 T12 T12、T23
低溫 T12、T22 T12、T22、TP347H 包覆 T12、T1a
屏式 HR3C、Super304H
T22、T91、Super304H、
HR3C
后屏 T91、HR3C
末級 HR3C、Super304H T91、Super304H、 HR3C 分隔屏T12、T91
過熱器
末級 T91、Super304H、 HR3C
低溫 T2、T1a
高溫 HR3C、Super304H
低再水平段 T22、T12、T1、SA210A1 SA210C、T12、T91
低再垂直段 TP347H T91
再熱器
末級 T91、Super304H HR3C、TP347H
主蒸汽管道 P92 P92、P122 P92
再熱熱段 P91 P91 P91
再熱冷段 A672B70CL32 A691Cr1-1/4CL22 A672B70CL32
高壓給水管道 WB36 WB36 WB36
2.1 對按照原ASME 規(guī)范提供的數(shù)據(jù)設(shè)計的
1000MW USC 機組P92 鋼主蒸汽管道問題的研究
主蒸汽管道設(shè)計時，首先要考慮鋼材的高溫
蠕變斷裂強度，其必須要滿足由于管道熱膨脹而
引起的熱應力的要求，一般認為適合于作高溫管
道的鋼材，在其工作溫度下的105h 的蠕變斷裂強
度應達到90~100MPa，為了滿足機組啟停工況條
件的需要，同時要求管道鋼材的熱膨脹系數(shù)比較
小，且導熱系數(shù)比較大，從而能降低管道內(nèi)的熱
應力水平。
由于P92 鋼目前的試驗還未達到105h，
ASME 規(guī)范中現(xiàn)在的數(shù)據(jù)是新日鐵根據(jù)短時間蠕
變斷裂數(shù)據(jù)外推出來的， 其值為
132 105
600 σ = MPa。根據(jù)其蠕變斷裂強度可計算出
P92 鋼600℃運行時的許用應力為88MPa，進而
可計算出1000MW USC 機組P92 鋼主蒸汽管道
壁厚。然而歐洲對日本的外推法有疑問，歐洲蠕
變委員會（ECCC）推算結(jié)果P92 鋼在600℃、105h
的蠕變斷裂強度僅為113MPa，據(jù)此推出P92 鋼
的許用應力，在600℃時為75.3MPa，610℃時為
66.6MPa。按此許用應力計算出的1000MW USC
機組P92 鋼主蒸汽管道壁厚顯然比按原ASME規(guī)
范提供的數(shù)據(jù)設(shè)計的壁厚要大。
因此，對按照原ASME 規(guī)范提供的數(shù)據(jù)設(shè)計
的P92 鋼壁厚較薄的主蒸汽管道在運行中要加強
金屬監(jiān)督的研究。
2.2 經(jīng)過長期高溫高壓運行后，鋼材顯微組織及
性能變化規(guī)律的研究
2.2.1 目前我國USC 機組主蒸汽管道、集箱的選
材為P92 和P122 鋼
這兩種鋼在高溫高壓運行后其顯微組織結(jié)
構(gòu)變化主要為位錯密度的降低和固溶W 析出形
成Laves 相等，前者降低高溫強度，而Laves 相
不但降低高溫強度，而且還顯著降低沖擊韌性。
P122 鋼因含有0.30~1.70％的Cu 會促使Laves 相
析出和長大，在長期運行中穩(wěn)定性最差。
2.2.2 目前我國USC 鍋爐高溫過熱器選材為
Super304H 和HR3C
Super304H 是在傳統(tǒng)的18-8 奧氏體不銹鋼
（TP304H）中加3％Cu 和0.5％Nb。獲得了較高
的持久強度，650℃許用應力值比TP304H 還高出
40％以上。運行2.5 年后，組織和性能穩(wěn)定，是
USC 機組中受熱面高溫段的首選材料。
HR3C 屬于25Cr-20Ni 鋼，添加Nb 形成析出
強化，獲得極高的持久強度。雖然650℃的許用
應力值略低于Super304H，但由于Cr 含量高，其
耐煙氣高溫腐蝕和耐汽側(cè)氧化的性能極佳。所以
優(yōu)先選用HR3C 做過熱器和再熱器的高溫部件。
根據(jù)目前的研究，這兩種鋼在一定的溫度范
圍內(nèi)時效，其韌性都有降低的現(xiàn)象，而在長期運
行后，其組織性能的變化規(guī)律仍需進一步研究。
超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會論文集
4
2.3 經(jīng)過長期高溫高壓運行后，鋼材的抗高溫腐
蝕和抗高溫蒸汽氧化性能的研究
2.3.1 T92/P92、T122/P122 鋼抗高溫腐蝕和抗高
溫蒸汽氧化性能的研究
一般來說，高溫材料依靠一種或多種合金成
分的選擇性氧化來形成保護性氧化皮，這就必須
滿足兩個條件：一是基體中的選擇性氧化元素必
須有足夠高的濃度；二是這些元素必須有足夠高
的擴散速率，以保證它們能對正在生長的氧化皮
下的基體進行補充，從而保證長期的保護功能。
鉻是提高抗氧化性的重要元素，T122/P122 鋼管
因其高的鉻含量，它的抗煙氣腐蝕和抗蒸汽氧化
性均比T92/P92 鋼好。
在超超臨界機組中，由于蒸汽溫度高，蒸汽
側(cè)氧化和氧化層的剝落問題，比亞臨界機組更為
嚴重，國外超超臨界機組中有因為嚴重的蒸汽氧
化問題被迫降參數(shù)運行的情況，此問題應在運行
中給予充分關(guān)注。
2.3.2 Super304H、HR3C 鋼抗高溫腐蝕和抗高溫
蒸汽氧化性能的研究
由于Super304H 是細晶鋼，其抗高溫腐蝕和
抗高溫蒸汽氧化性能均應高于TP304H 和
TP321H 鋼。盡管HR3C 鋼不是細晶鋼，但HR3C
鋼的含Cr 量已提高到25％，所以HRC 鋼的抗高
溫腐蝕性能和抗高溫蒸汽氧化的性能均高于
Super304H 鋼。這些都是在長期運行中需要研究
的重要問題。
2.4 異種鋼焊接接頭早期失效機理研究
以往的研究及運行經(jīng)驗表明，在奧氏體不銹
鋼與鐵素體鋼的異種鋼接頭中會出現(xiàn)早期失效
問題，一般認為，失效是由蠕變損傷引起，它與
接頭中兩種蠕變強度不同材料在其界面上形成
的特殊冶金學和力學條件有關(guān)。目前我國USC 鍋
爐選用的奧氏體不銹鋼主要為Super304H 和
HR3C，這兩種鋼都具有很高的蠕變斷裂強度，
它們與鐵素體鋼的焊接接頭在運行中的蠕變失
效機理研究，應及早引起足夠的重視。
2.5 研究新材料老化規(guī)律，確保機組安全運行
目前在已運行的亞臨界機組中，壽命評估得
到了深入的研究和廣泛的應用，為機組的狀態(tài)檢
修提供了有力的數(shù)據(jù)，而在USC 機組中采用的新
型耐熱鋼，盡管其性能有了明顯的提高，但同時
也在更高的溫度和壓力下運行，對其在運行中老
化規(guī)律方面仍缺乏充分的認識，因此必須自機組
投運起就對材料的老化機理進行深入研究，逐步
掌握材料的老化規(guī)律，確保USC 機組的安全穩(wěn)定
運行
2.6 經(jīng)過長期高溫高壓運行后，新型耐熱鋼部件
損傷后的焊接修復技術(shù)的研究
目前我國建造的超超臨界機組中，首次采用
的新型耐熱鋼有T92/P92、T122/P122、Super304H
和HR3C 四種。
T92/P92 和T122/P122 為新型鐵素體耐熱鋼，
其焊接性問題有：焊縫韌性低、冷裂紋傾向、Ⅳ
型裂紋及焊縫的失效傾向。
Super304H 和HR3C 為新型奧氏體耐熱鋼，
其焊接性問題有：焊接高溫裂紋（結(jié)晶裂紋、高
溫液化裂紋和高溫脆化裂紋）、焊接接頭腐蝕和
焊縫金屬失效脆化傾向。
采用上述新型耐熱鋼制造的USC 鍋爐部件，
經(jīng)長期高溫高壓運行發(fā)生損傷后，由于焊接環(huán)境
極差，應力狀態(tài)復雜，要進行焊接修復會比制造
和安裝過程中困難的多。因此要盡早開展USC 鍋
爐新型耐熱鋼部件的焊接修復研究工作。
3 結(jié)束語
USC 鍋爐采用的新型耐熱鋼是USC 機組安
全運行的關(guān)鍵技術(shù)，為確保USC 機組安全、可靠
和經(jīng)濟運行，業(yè)主、設(shè)計、制造、安裝、科研和
運營建設(shè)單位應通力合作，盡早對USC 機組安全
運行的關(guān)鍵技術(shù)開展研究工作。
參考文獻：
[1] 楊富等編著，新型耐熱鋼焊接．中國電力出版社，2006．7
[2] SUMITOMO BOILER TUBES &amp;amp; PIPE，SUMITOMO Metal
Ind．,Ltd 2004．8
[3] 高強度鐵素體鋼管NF616（ASME P92），新日本制鐵株式
會社，2004．11
[4] 電力工業(yè)P92 鋼焊接材料工藝技術(shù)指南，英國曼徹斯特焊
接材料公司，2004．10
作者簡介：楊富（1940～），男，清華大學焊接專業(yè)畢業(yè)，教
授級高級工程師，國際焊接工程師，電力行業(yè)鍋監(jiān)委顧問，國家
電監(jiān)會電力安全專家委員會材料專家，中國焊接學會第六屆理事
會常務(wù)理事，中國電機工程學會第七屆理事會理事。長期從事火
力發(fā)電廠鍋爐監(jiān)察、焊接施工、科研和技術(shù)管理工作。發(fā)表論文
數(shù)十篇。

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