神华国华寿电一期工程620℃锅炉受热面高温钢材应用研究

神华国华寿光一期项目锅炉出口蒸汽参数为29.4MPa(a)/605/623℃，对应汽机入口参数为28MPa(a)600/620℃。相对与常规参数，本项目锅炉设计参数的变化主要体现在过热器出口压力的提升和再热蒸汽温度的提升。过热蒸汽压力提升至29.4MPa。压力提升对材料本身没有特殊需求，可如通过增大锅炉受压件的材料壁厚和规格来适应。可以认为，过热蒸汽压力的提升对锅炉的影响较小。相对而言，再热蒸汽温度由600℃提升至620℃，我们需要更加重视材料的安全性和运行的可靠性问题。本文重点对Super304H、HR3C、A335P92从材料特性、焊接性能、焊后易出现问题以及在寿电620℃高温下运行的应对措施进行详细说明。

1、Super304H应用位置

高过、高再及屏过除外三圈以外的其他管排。

    2、应用详解

    Super304H是在TP304H的基础上，通过Cu、Nb、N合金化而得到的一种新型经济型奥氏体不锈钢，降低Mn的含量上限，加入约3%的Cu、0.45%的Nb和一定量的N而得到的，而TP304H是在TP347H的基础上通过热处理使晶粒细化到八级以上，大大提高了抗氧化能力。

2.1成分

2.2性能

机械性能：由于氮的固溶加强影响，强度和0.2%弹性极限应力高于普通的18Cr-8Ni不锈钢，韧性几乎和TP347H一样。

抗蒸汽氧化性能：细晶粒Super304H的抗蒸汽氧化性能和细晶粒Super347H相同，，细晶粒TP47的该性能比TP321更优越。

耐高温腐蚀性能：由于细晶粒结构和Nb的增加，Super304H耐热腐蚀性能得到改善，几乎和细晶粒TP347相同。

2.3可焊性

通过适于检测热裂纹敏感性的可变约束抗热裂试验和约束纹试验来评价Super304H的可焊性。Super304H的热裂纹敏感性、裂纹长度和裂纹率低于TP347H。室温和高温下，Super304H焊接点强度与母材相同。焊接用的填充金属成分应与Super304H相匹配。

2.4常用焊材对比

镍基焊丝（A）ERNiCrMo-3、（B）ERNiCr-3和进口的（C）YT304H（该焊丝是Super304H进口时的配套焊丝）。

用三种焊材焊接后通过拉伸试验、弯曲试验、冲击试验及硬度试验后对比得出，三种焊材的屈服强度和抗拉强度都大于母材，且符合电力行业DL868的要求，说明焊接接头常温拉伸性能良好；弯曲试验将试样弯曲到规定的180℃，用10倍放大镜观察未发现任何形式的裂纹或裂开，表面上述三种焊材的焊接接头都有足够的塑形，满足DL868要求；硬度试验表面三种焊材的焊接接口都大于母材，且硬度从融合线附近至母材区域波动性降低，最后降低至母材硬度，符合硬度试验要求；冲击实验结果，虽然该三种焊材的焊缝冲击功小于其热影响区的冲击攻小于母材的冲击功，但仍然满足电力行业标准DL868中的要求。

2.5焊接工艺

1)焊接过程中容易发生的问题

Super304H钢是TP304H钢的改进型，添加了3%的Cu和0.45%Nb。通过弥散强化作用（在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料强化手段）获得了极高的许用应力，但是合金元素的增加使得液体金属粘度变大，流动性变差，给焊接操作带来了困难；另外如果焊接位置困难的话，会引起未来融合缺陷；同时不锈钢氧化膜耐高温，焊接过程中不易融化，造成铁水围绕小块的氧化膜流动，而冷却时却融合不好，而且氧化膜清理困难，铁工清理不干净，从而产生未融合缺陷。

2)工艺措施

A、严格对口工艺，要求坡口角度为30°~35°，钝边0.5mm~1mm，间隙2~3mm，间隙太小容易造成未焊透，太大则要求金属填充量大，焊接速度相对减慢，热输入量增加，从而造成合金元素烧损；

B、选择合理的焊接参数：奥氏体在焊接过程中有热裂倾向，因而要严格控制层间温度，焊接电流是影响焊接质量的关键因素，电流过小则不能是母材充分融化造成未焊透，电流过大则使得焊缝容易被氧化，经过摸索比较打底电流为75~81A，盖面电流为70~74A。

C、控制好层间温度薄壁小管焊接过程中因为热量不易散失，焊口温度容易升高，层间温度过高，因此我们应该采用尽可能快的焊接速度，每次降温到100℃以后再进行焊接。

D、冲氩保护，整根管子冲氩，为防止高温区合金元素的氧化，在整个焊接过程中进行背面冲氩保护。

E、改进操作技术，建议将钨棒锥度磨成15°，较尖的钨极电弧更集中，有利于熔池的形成和提高焊接宿舍都，防止层间温度过高，焊层不宜太厚，以减少焊缝的热输入量，降低层间温度，壁面焊缝氧化。

2.6焊后易出现的问题：

1）晶间腐蚀，它是奥氏体耐热钢一种极其危险的破坏形式，特是沿晶界开始腐蚀，表面上一般不容易发现，但是它使得承压管道焊接接头的力学性能显著下降了，因而易引发早期破坏。根据“碳化物析出造成晶间贫铬理论”，在450℃到850℃范围内，C和Cr易在奥氏体晶粒边界处形成炭化铬，当晶界处的Cr含量降低到小于12%时，钢材会丧失耐腐蚀性能。

2）应力腐蚀裂纹，它是应力和腐蚀介质联合作用引起的一种低应力脆性裂纹，奥氏体不锈钢膨胀系数大，导热性差，在结构复杂、刚度加大的情况下，焊接变形受到约束，焊后构件特别是焊接接头会存在较大的焊接残余应力，如果有腐蚀介质存在，就满足了应力腐蚀裂纹的冲要条件，从而使奥氏体不锈钢产生应力腐蚀裂纹的倾向较大。

2.7焊后热处理：原则上，Super304H焊后不需要进行热处理，但如果在氯离子的环境中施工，而且接头进仓储前又没有有效的防止氯离子对热影响区污染的得力措施的情况下，需要进行焊后热处理。热处理建议采用高温会火处理，处理方法为随炉升温，温升50℃/h,在755℃保温50min,然后降温，降温速度不大于50℃/h。

   3、经济型

    Super304H在高温条件下具有优良的性能，能满足超超临界锅炉所需在高参数下保持高机械强度的需求。在同样的温度和压力下，使用Super304H超临界使用的合金材料比较，炉管壁厚大幅减少。因此，相应的单位长度重量明显减少，同样受热面积所用的钢材随其性能的提高而用量减少。Super304H的性价比比其他钢材优越，可以大量使用。使用Super304H不仅在经济上有优点，而且由于管材壁厚减少降低了承压部件的总重量，减少了结构称重和应力、热应力等，也减少了制造成本和施工的难度。从而给制造商带来经济效益。

   4、Super304H在寿光电厂的应用

    Super304H是一种用于高参数、超超临界锅炉受热面管的新材料，由于细铜相的沉淀强化作用和Nb成分的掺和，增强了Super304H的蠕变断裂强度，在高温下具有优良的机械性能和抗蒸汽氧化和耐热腐蚀的性能，可以在650℃以下长期运作。

寿光电厂一期机组锅炉再热器出口蒸汽温度为623℃，炉内受热面采用的SUPER304H材质不锈钢管最高使用温度超过700℃，有较大的温度余量，可以满足623℃参数的要求。因此，该材质在炉内的应用应无较大问题，且在锅炉技术协议中明确要求设备厂家在进行Super304H的选材时应满足晶粒度大于 七级，管子内壁经过喷丸处理，进一步提升该材质受热面的抗氧化性能。

5、HR3C 应用位置

高过、高再、屏过外三圈。

6、应用详解

HR3C的美国牌号是SA213TP310HCbNC(ASE2115-1),简称超级不锈钢。HR3C也是25Cr-20Ni-Nb-N,也是TP310NbN，改进的由Nb、N强化的TP310NbN,改进的由Nb、N强化的TP310钢，具有较高的高温强度和耐腐蚀性能，较好的加工性和焊接性，特别是具有极其优异的抗蒸汽氧化性。

性能

它是利用钢中析出微细的CrNbN化合物的Nb的碳氮化合物以及M23C6M对钢进行强化，使钢具有了较高的高温温度，综合性能较其他TP300系列的奥氏体优良；由于Cr含量高，HR3C钢的抗蒸汽氧化性和高温腐蚀性优于18~8不锈钢，与具有相同含量的310不锈钢类似，有极高的许用应力，最高使用温度为700℃，是USC锅炉和高硫、高氯燃煤锅炉的首选材料之一。

焊材选用

可选用配套的进口焊材YT-HR3C焊丝进行焊接，也可以选用德国蒂伯品牌的Thermain617镍基合金氩弧焊丝。

当前国内已经进行筛选的焊材有ERNiCr-3、ERNiCrMo-3、ERNiCrCoMo-1和YT-HR3C,其中ERNiCr-3蠕变断裂强度低于HR3C，而且美标的限制使用温度为480℃，不能应用于我单位620摄氏度的工作环境，所以去除；ERNiCrMo-3的蠕变断裂强度相当，但是具有实效脆化倾向，而且美标的限使用温度为540摄氏度，不能应用于我单位620摄氏度的工作环境，所以去除ERNiCrMo-1焊材的蠕变断裂强度高、抗氧化性好、抗腐蚀性好、完全符合美国ASME标准。是替代YT-HR3C的理想焊材。

焊接工艺

选用直径为2.4mm的ERNiCrMo-1焊丝。

A、打磨坡口，将坡口表面积没侧各10~15mm范围进行打磨直至露出金属光泽，坡口角度为30~35°，对口间隙2.5~3.2mm,钝边0~1mm，用水溶纸对两端管口进行封堵，形成严密的小气室，对口时做到内壁齐平，如有错口，其错口值不得超过壁厚的10%。

B、冲氩保护，用专用工具对小气室进行冲氩保护，开始冲氩时先将氩气流量开到最大(20~25L/min),待气室的空气排净后调制正常流量（8~10L/min）。

C、、打底穿焊接，引弧后迅速将电弧电压压低至溶池表面1~1.5mm,并将其移动到坡口的钝边处，送丝按照锯齿形运条法焊接，氩弧打底优先选用内夹丝，焊丝断头始终指向熔池上部略靠近管子内侧处，有利于焊缝根部焊透并可防治内凹。

D、填充盖面，盖面时尽量选用小电流、快速焊、薄焊层，线能量一般控制在15KJ/cm一下，严格控制层间温度，不得高于100摄氏度，有利于得到合格的金相组织。

焊后易出现的问题

该钢材在焊接过程中有热裂纹倾向，这种裂纹常出现在焊缝中，尤其容易发生在焊缝收尾和弧坑处，因而要注意控制焊接热输入及层间温度，另外为防止高温区合金元素的氧化，在整个焊接过程中要进行背面冲氩保护，防止根部焊缝和母材的过烧。

焊后热处理

该钢材属于单一的奥氏体组织，焊接性能良好，无冷裂倾向，因而无需做热处理，但如果在氯离子的环境中施工，而且接头进仓储前又没有有效的防止氯离子对热影响区污染的得力措施的情况下，需要进行焊后热处理。热处理建议采用高温会火处理，处理方法为随炉升温温升50℃/h，在755℃保温50min，然后降温，将为速度不大于50min/h。

3RH3C在寿电的应用

寿光电厂一期机组锅炉再热器出口蒸汽温度为623℃，炉内水平烟道对流受热面外三圈采用的HR3C材质不锈钢管最高使用温度超过700℃，有较大的温度余量，可以满足再热汽出口623℃参数的要求。

7、A335P92应用位置

高温再热器管道及末级过热器出口集箱及管道

8、应用详解

P92钢的化学成分和性能特点根据国外资料介绍，P92钢材的化学成分和组织性能具有以下特点。

2.1ISA335-P92钢市在P92钢的基础上添加W元素，适当减少MO元素的含量，开发出来的一种新型钢种。

2.2P92钢的主要性能

1）具有良好的物理性能

2）具有比P91钢更高的高温蠕变断裂强度

3）具有优异的常温冲击韧性

4）具有优良的抗氧化性能

3P92钢的焊接性分析

8.1焊接裂纹敏感性比传统的铁素体耐热钢低

根据实验结果得知P92钢只需预热到100℃，P91钢需要预热到180℃裂纹率为零，而P22钢需预热到300℃才能达到。

8.2具有较明显的时效倾向

P92钢经3000h时效后，其韧性下降了许多。P92钢的冲击攻从时效前的220J左右降到了70J左右，在3000h时效以后，冲击功继续下降的倾向不明显，冲击功将稳定在时效3000h的水平。时效倾向发生在550~650℃的范围内，这个温度范围正式该钢材的工作温度范围。母材具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向。

8.3焊缝韧性低于母材的原因

焊缝金属韧性不及母材的原因，在于焊缝金属是从温度非常高的熔融状态冷却下来的铸造结构，它没有机会经过TMCP过程即热控轧加工过程，晶粒得不到细化，Nb等元素还固溶在基体内，没有机会充分析出的缘故。

8.4尽管P92钢开发出来已经有20多年了，但在国外大规模应用的业绩并不是太多，在国内刚开始应用。焊接接头是影响机组运行安全的最薄弱环节，由于P92钢合金元素含量高，焊接上有较大的技术难度，容易出现接头冲击功底和长期运行中的IV型开裂早期失效，如果焊接质量得不到保证，P92的优势将不复存在，并对机组运行安全性带来威胁。

4P92钢大口径厚壁管道焊接的主要问题

由于P92钢具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向。为了避免焊缝金属时效后韧性过低，提高焊缝金属时效性前的原始韧度，为时效留出一定的余量，是P92钢大口径厚壁管道焊接的主要问题。围绕提高焊缝韧性这个关键问题，我们从焊材的选择、焊接中的预热、层间温度、焊接热输入量、热处理温度和时间等方面展开了研究，从大量的试验数据中寻找影响焊缝韧性的因素，编制提高焊缝韧性的最佳工艺，从而为保证SA335-P92钢工厂化配管焊接质量打下扎实的基础。

5SA-335-P92钢材在寿光电厂的应用

寿光一期工程高再及高过出口集箱均采用SA335-P92材质，其ASME规范最高使用温度为650℃，国内规定的最高使用温度不超过630℃，寿光电厂再热汽出口温度为623℃，高再出口集箱的设计温度可能达到630℃，已接近P92的最高使用温度，鉴于在这个温度区间，国内外尚无更好的并成熟应用的其他替代材料，高再出口集箱必须采用SA335-P92材料，避免在运行期间发生超温时间，我公司要求东锅设计一系列的减少温度偏差的措施，将集箱的设计温度控制在630℃以内。

为解决再热器壁温过高，P92/T92材料无法适应的问题，寿光电厂要求东方锅炉厂从炉膛设计、燃烧器布置、燃烧组织、受热面设计等方面，设计一系列减少烟温偏差、蒸汽侧热力偏差的措施，降低再热器管的壁温，从而实现材料不升档也能有一定裕量，以保证再热器的安全性。以下为东方锅炉厂按照寿光电厂要求设计并湿湿的减少烟温偏差、蒸汽测热力偏差的措施。

8.1采用国际上广泛应用的II型布置形式，典型的前后墙对冲燃烧系统。火焰在炉膛中对冲，有利于增强扰动，炉内火焰充满情况较好，维持炉膛左右两侧有均衡的燃烧性能，保证均衡的燃烧热负荷。可确保沿炉膛左右两侧有均衡的燃烧性能，使炉膛出口左右两侧烟温偏差达到较小水平；

8.2合理布置大风箱的结构形式，如在大风箱同层各燃烧器的风道中加导流板等，使沿炉膛宽度方向上各燃烧器的配风更均匀；

8.3选用单只热功率较小的燃烧器，使燃烧器与炉墙、燃烧器与燃烧器间有足够的距离，避免火焰撞击炉墙和相互干扰；

8.4合理选取炉膛容积，在炉膛上部布置大节距的屏式过热器，使烟气在炉膛内有足够的燃烧停留时间，同时又能使烟气在炉膛出口部分混合较好。

8.5 采用数值模拟技术，通过数值模拟预测炉膛的空气动力场、烟气流场及温度场；

8.6 合理调整各层煤粉管道阻力和炉膛宽度方向上煤粉输入的均匀性，减少烟温偏差，以及对气温偏差的影响；

8.7 各级再热器的连接采用合理的引入引出方式。低温再热器出口与高温再热器之间进行了一次左右交叉；

8.8 各级再热器之间的连接采用了大管道连接，使蒸汽能充分混合。引入引出管尽量对称布置，减少静压差，使流量分配均匀，减少气温偏差；

8.9 采用较大的集箱规格，加强集箱内的混合效果，减少屏间偏差；

8.10合理布置再热器各级受热面面积及吸热比例，减少高温再热器的焓增，减少高再出口蒸汽水利偏差；

8.11 合理选用受热面管子的规格，取得与热负荷相适应的蒸汽流量。即使同一级的受热面，管子规格也根据结构和所处的位置不同而有所不同。如再热器水平管组根据在蒸汽流程中的不同位置和温度变化情况采用了不同的管子直径和材料，使受热面管材的布置更为合理。采用了放大最外圈管的口径，整体放大节流孔，针对内外圈不同位置的管子采取不同的节流孔，控制壁温偏差，调节管子流量，减小屏间偏差；

8.12再热器气温采用尾部烟气挡板调节。通过烟气挡板开度的大小来调节通过尾部后竖井底温再热器的烟气流量，从而达到调节再热气温的目的；

8.13 在低再出口管道上设置事故喷水减温器，设有左右两个喷水点，两侧减温管路分别用单独的调节阀调节左右两侧管路上的喷水量，事故状况下调节气温，消除偏差。

9、结论

通过以上各个材料的分析比较，Super304H、HR3C这两种材质本身的最高许用温度都远远高于实际运行温度，可以满足620℃的运行要求。SA335P92的国标许用温度为630℃，已经接近于再热器蒸汽出口温度，通过一系列的减少温度偏差的措施，将集箱和管道的设计温度控制在630℃以内，均可达到使用要求。