加强金属材料技术监督研究确保超超临界机组可靠运行.pdf

2009.11 中国 上海 600/1000 MW 超超临界机组技术交流 2009 年会 -199-加强金属材料技术监督研究 确保超(超)临界机组可靠运行 梁军 神华国华（北京）电力研究院,北京 100069；摘要；随着我国大批超（超）临界（USC）机组投产运行，金属技术监督今后一个时期的工作来看，今后金属技术监督的重点工作，将应落到重点关注和研究金属材料在超超临界运行工况下的各种性能变化规律及焊接修复工艺研究。一些发电公司已专门设立科研项目，跟踪研究（USC）高温高压管道新材料的持久、蠕变强度变化，研究新型材料的焊接修复及薄弱部位重点监督管理办法，跟踪监督材料高温腐蚀情况和高温蒸汽侧材料氧化情况。关键词：超超临界；金属监督；金属材料；焊接 1 前言 初步估计目前我国目前在建和规划建设的超超临界（USC）机组有近160 多台，其中有近60多台机组将在2010年前后投产，其单机容量大部分为600MW 和1000MW 两个级别。蒸汽参数主要为：汽机主汽入口设计压力2526.5MPa，主蒸汽/再热蒸汽出口温度为605/600。预计这些机组将从2008年起陆续投入运行。为了确保未来USC 机组的安全运行，我们应尽早对USC 的关键技术新型耐热钢（T92/P92、T122/P122、Super304H 和HR3C）在运行过程中的变化规律及损伤后的修复技术开展研究。1.1 根据我国经济目前的稳定快速的发展情况，对电能的需求不断增加，（在全球金融危机的情况下）预计到2020 年全国装机容量仍将达到10 亿千瓦左右，其中火电装机容量仍将占70%以上。发展超超临界机组将是我国火力发电提高效率、节约能源、改善环境、降低发电成本的必然趋势。而USC 发展的关键技术是锅炉蒸汽压力及温度参数提高后所需采用的新型耐热钢的制造、安装过程中的焊接及热处理工艺研究，运行后的组织性能变化规律和金属部件损坏后的修复技术研究。这些都将是我们从事金属材料、焊接工艺、技术监督工作者今后需要特别关注的，特别是金属技术监督的工作重点。随着机组压力、温度的变化及材料的更新，有许多以往典型的损坏和失效都发生了质的变化，而这些问题在国际上目前还没有进行深入的机理研究分析，这就需要我们重新开始认识和了解、研究、分析新材料在新的运行环境下的变化，及如何去检修维护，如何检查、处理缺陷，如何制定焊接修复工艺，如何分析判断缺陷的危害程度。这都是摆在我们面前的新课题。也是我们今后金属技术监督工作的重中之重。为此我们必须首先了解新材料的各种性能和使用情况。2 新型耐热钢的应用概况 首先要了解新型耐热钢在世界各国（USC）机组中的应用情况。及新型耐热钢在我国USC 机组中的应用概况：2.1 新型耐热钢在日本USC 机组中的应用概况；日本USC 机组主蒸汽管道材料主要选用日本住友生产的P122 钢管。2.2 新型耐热钢在欧洲USC 机组中的应用情况，欧洲USC 机组主蒸汽管道材料选用瓦卢瑞克曼内斯曼钢管厂生产的P92 钢管，我国USC机组主蒸汽管道材料选用美国威曼高登锻造公司生产的P92 钢管。2009.11 中国 上海 600/1000 MW 超超临界机组技术交流 2009 年会 -200-2.3 目前我国正在建造的600MW和1000MW级超超临界（压力P=2526.5MPa，温度t=600/600）机组台数占到了世界的70%，根据有关资料介绍，拟采用的新型耐热钢方案有多种。我国USC 机组参数，在压力上高于日本，在温度上高于欧洲同类机组。在主蒸汽管道选材方面，目前世界上并无一台相同的机型可供借鉴。目前我国USC 机组主蒸汽管道材料采用的主要有瓦卢瑞克曼内斯曼钢管厂生产的P92 钢管和美国威曼高登锻造公司生产的P92 钢管。过热器高温段材料主要选用日本住友生产的Super304H 和HR3C 钢管。对于这些新型钢材，我们仍然缺乏足够的认识，因此我国USC 机组运行后，必须加强金属材料的技术监督和分析研究。3 对于制造质量监督检验需注意的问题 3.1 对于上述材料制做的集箱及管道检验出的一些表面裂纹性质缺陷。在检验过程中普遍发现 P91、P92、等材质的集箱及管道表面许多表面细小裂纹。依据裂纹性质判断，这些裂纹都是属于表面应力引起的，大部分是在配管制造过程中，焊后不及时消应力处理造成的。3.2 对于其他材质大厚度集箱及管道的检验则发现表面裂纹性质缺陷，在打磨消除后，经过一段时间，又重新出现的问题。所发现的反复出现裂纹其性质判定与处理方法是紧密相关。3.3 针对目前特殊情况下的制造厂工艺不严、监造单位是否能严格把关，裂纹处理方法，打磨后的复检方式是否正确等问题，都有待我们不断的摸索和探讨。3.4 对于国内执行 ASME 规范标准的误解；目前国内一些制造企业，在工期紧张的特殊环境下执行ASME 规范存在片面理解，宽松工艺现象。对于其环境和其它配套措施、要求不严格执行情况。在条件和各种环境要求达不到或不执行的情况下，出现了一些质量问题，从而达不到标准要求。另外对于制造厂标准应高于 ASME 规范和国标。3.5 对于制造厂处理缺陷的是否彻底干净、是否埋藏隐患是涉及今后重要设备安全的关键。如何跟踪处理过程、监督处理结果也是需要认真对待的问题。3.6 P91、P92 材料焊接出现的一些微细裂纹、依据现有标准出现的未超标缺陷，是否适应 P91、P92等新型耐热钢材料的判定标准。P91、P92 类材料对各类缺陷性质的敏感程度目前尚不清。这些都影响到我们技术监督的判定标准。3.7 新型耐热钢材料的异种钢管接头焊接，是否破坏了原有的母材组织状态，接头性能如何问题。解决不了接头性能，保证不了接头性能，则新型耐热钢管材的良好性能也是不能得到充分发挥。对于最大限度内的利用新材料的使用性能也就打了折扣。对于上述问题是我们目前焊接尚未解决的，也是亟待解决的问题。4 金属材料技术监督和分析研究 自1996 年以来，P92 钢制的结构已开始试验性地用于一些电站项目中，但迄今还未在电站建设项目中大规模采用（我国目前应是使用较多的国家），其主要原因在于材料及焊接专家们还需要谨慎的实践来建立对这种材料的充分信心。需要认识在电站实际服役条件下，经过长期高温高压运行后，钢材显微组织变化的规律以及认识由此带来的各种因素的影响（包括检验、焊接修复、加工等）及对蠕变断裂强度和塑性韧性的影响。4.1 对按照原ASME 规范提供的数据设计的1000MW USC 机组P92 钢主蒸汽管道问题的研究 主蒸汽管道设计时，首先要考虑钢材的高温蠕变断裂强度，其必须要满足由于管道热膨胀而引起的热应力的要求，一般认为适合于作高温管道的钢材，在其工作温度下的105h 的蠕变断裂强度应达到90100MPa，为了满足机组启停工况条件的需要，同时要求管道钢材的热膨胀系数比较小，且导热系数比较大，从而能降低管道内的热应力水平。由于P92 钢在2004年当时的试验还未达到105h，ASME 规范中所用的数据是新日铁根据短时间蠕变断裂数据外推出来的，其值为132/105，600 =MPa。根据其蠕变断裂强度可计算出P92 钢600运行时的许用应力为88MPa，进而可计算出1000MW USC 机组P92 钢主蒸汽管道壁厚。然而欧洲对日本的外推法有疑问，（到2008年底欧洲试验已达到105h）欧洲蠕变委员会（ECCC）2005年推算结果P92 钢在600、105h的蠕变断裂强度仅为113MPa，2009.11 中国 上海 600/1000 MW 超超临界机组技术交流 2009 年会 -201-据此推出P92 钢的许用应力，在600时为75.3MPa，610时为66.6MPa。按此许用应力计算出的1000MW USC机组P92 钢主蒸汽管道壁厚显然比按原ASME规范提供的数据设计的壁厚要大。因此，对按照原ASME 规范提供的数据设计的P92 钢壁厚较薄的主蒸汽管道在运行中的各种技术参数要加强监督分析和深入研究。4.2 经过长期高温高压运行后，钢材显微组织及性能变化规律的研究 4.2.1 目前我国USC 机组主蒸汽管道、集箱的选材为P92 和P122 钢这两种钢在高温高压运行后其显微组织结构变化主要为位错密度的降低和固溶W 析出形成Laves 相等，前者降低高温强度，而Laves 相不但降低高温强度，而且还显著降低冲击韧性。P122 钢因含有0.30-1.70的Cu 会促使Laves 相析出和长大，在长期运行中稳定性最差。两种钢的长期运行后的性能变化还需持续不断的试验分析。4.2.2 目前我国USC机组锅炉高温过热器选材为Super304H、HR3C。Super304H 是在传统的18-8 奥氏体不锈钢（TP304H）中加3Cu 和0.5Nb。获得了较高的持久强度，650许用应力值比TP304H 还高出40以上。运行2.5 年后，组织和性能稳定，是USC 机组中受热面高温段的首选材料。HR3C 属于25Cr-20Ni 钢，添加Nb 形成析出强化，获得极高的持久强度。虽然650的许用应力值略Super304H，但由于Cr 含量高，其耐烟气高温腐蚀和耐汽侧氧化的性能极佳。所以优先选用HR3C 做过热器和再热器的高温部件。根据目前的研究，这两种钢在一定的温度范围内时效，其韧性都有降低的现象，而在长期运行后，其组织性能的变化规律仍需进一步研究。5 经过长期高温高压运行后，钢材的抗高温腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能的研究 5.1 T92/P92、T122/P122 钢抗高温腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能的研究一般来说，高温材料依靠一种或多种合金成分的选择性氧化来形成保护性氧化皮，这就必须满足两个条件：一是基体中的选择性氧化元素必须有足够高的浓度；二是这些元素必须有足够高的扩散速率，以保证它们能对正在生长的氧化皮下的基体进行补充，从而保证长期的保护功能。铬是提高抗氧化性的重要元素，T122/P122 钢管因其高的铬含量，它的抗烟气腐蚀和抗蒸汽氧化性均比T92/P92 钢好。在超超临界机组中，由于蒸汽温度高，蒸汽侧氧化和氧化层的剥落问题，比亚临界机组更为严重，国外超超临界机组中有因为严重的蒸汽氧化问题被迫降参数运行的情况，此问题应在运行中给予充分关注。5.2 Super304H、HR3C 钢抗高温腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能的研究。由于Super304H 是细晶钢，其抗高温腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能均应高于TP304H 和TP321H 钢。尽管HR3C 钢不是细晶钢，但HR3C钢的含Cr 量已提高到25，所以HRC 钢的抗高温腐蚀性能和抗高温蒸汽氧化的性能均高于Super304H 钢。这些都是在长期运行中需要研究的重要问题。6 异种钢焊接接头早期失效机理研究 以往的研究及运行经验表明，在奥氏体不锈钢与铁素体钢的异种钢接头中会出现早期失效问题。一般认为，失效是由蠕变损伤引起，它与接头中两种蠕变强度不同材料在其界面上形成的特殊冶金学和力学条件有关。目前我国USC 锅炉选用的奥氏体不锈钢主要为Super304H 和HR3C，这两种钢都具有很高的蠕变断裂强度，它们与铁素体钢的焊接接头在运行中的蠕变失效机理研究，应及早引起足够的重视。7 研究新材料老化规律，确保机组安全运行 目前在已运行的亚临界机组中，寿命评估技术得到了深入的研究和广泛的应用，为机组的状态检修提供了有力的数据。而在USC 机组中采用的新型耐热钢，尽管其性能有了明显的提高，但同时也在更高的温度和压力下运行，对其在运行中老化规律方面仍缺乏充分的认识，因此必须自机组投运起就对材料的老化机理进行深入研究，逐步掌握材料的老化规律确保USC 机组的安全稳定运行。8 经过长期高温高压运行后，新型耐热钢部件损伤后的焊接修复技术的研究 目前我国建造的超超临界机组中，首次采用的新型耐热钢有T92/P92、T12/P122、Super304H和2009.11 中国 上海 600/1000 MW 超超临界机组技术交流 2009 年会 -202-HR3C 四种。T92/P92 和T122/P122 为新型铁素体耐热钢，其焊接性问题有：焊缝韧性低、冷裂纹倾向、型裂纹及焊缝的失效倾向。Super304H 和HR3C 为新型奥氏体耐热钢，其焊接性问题有：焊接高温裂纹（结晶裂纹、高温液化裂纹和高温脆化裂纹）、焊接接头腐蚀和焊缝金属失效脆化倾向。采用上述新型耐热钢制造的USC 锅炉部件，经长期高温高压运行发生损伤后，由于焊接修复环境比安装、制造差，损伤部位应力状态复杂，材料要经受多次热循环，材料组织变化复杂，要进行焊接修复会比制造和安装过程中困难的多。因此要尽早开展USC 锅炉新型耐热钢部件的焊接修复研究工作。9 结束语 USC 锅炉采用的新型耐热钢是USC 机组安全运行的关键技术，为此业主、设计、制造、安装、科研和运营建设单位应通力合作，进一步加强金属材料技术监督工作，尽早对USC 机组安全运行的关键技术开展全过程系统的研究工作，确保USC 机组安全、可靠和经济运行。参 考 文 献 1 杨富等编著，新型耐热钢焊接中国电力出版社，20067。2 SUMITOMO BOILER TUBES&PIPE，SUMITOMO MetalInd,Ltd 20048。3 高强度铁素体钢管NF616（ASME P92），新日本制铁株式会社，200411。4 电力工业P92 钢焊接材料工艺技术指南，英国曼彻斯特焊接材料公司，200410。作者简介：梁军，男，1961.6出生，山东威海人，1982年8月毕业于太原理工大学焊接专业，高级工程师，国家技术监督局高级检验师，国际焊接工程师，全国锅炉压力容器标准化技术委员会在役承压设备分委会委员、电站金属材料标准化委员会委员、电站焊接标准化委员会委员，现就职于神华国华电力研究院热机部金属高级主任、国华金属焊接高级专家。