新材料及焊接工艺简介15329.docx

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1、超超临界界锅炉受受压件材材料对锅炉受受热受压压元件选选用材料料的考虑虑，不仅仅仅是一一般意义义上的强强度、抗抗腐蚀、抗抗氧化性性能中的的某一项项技术指指标，而而是寻求求一种具具有保证证机组安安全可靠靠运行的的、并具具备优良良工艺性性能和良良好质价价比的材材料。超超临界界锅炉蒸蒸汽温度度和压力力的提高高对材料料的热强强性能、抗抗高温腐腐蚀和蒸蒸汽氧化化能力都都有更高高的要求求。在采采用与亚亚临界锅锅炉或者者超临界界锅炉相相同材料料前提下下，蒸汽汽温度和和压力的的提高势势必要求求增加材材料的厚厚度（主主要是管管壁厚度度），而而厚壁部部件的生生产、焊焊接、热热处理、探探伤等工工艺等都都有更多多的困难

2、难，同时时还会降降低机组组的启停停速率和和调峰能能力。要要实现高高蒸汽参参数机组组的可靠靠运行，就就必须使使用与高高的参数数相适应应的高性性能的耐耐热材料料。对于超超超临界锅锅炉受压压部件的的选材，其其特殊性性主要体体现在水水冷壁、末末级过热热器、末末级再热热器、主主蒸汽管管道及集集箱等部部件。以下对被被收录到到ASMME/AASTMM和ASSME CODDE CCASEE（规范范案例）的的一部分分新型锅锅炉材料料进行简简要介绍绍，其中中一些材材料已被被应用到到哈锅承承制的国国内第一一台10000MMW等级级的超超超临界锅锅炉-玉玉环工程程上，如如P922、Suuperr 3004H和和COD

3、DE CCASEE 21115。一、超超超临界锅锅炉用新新型912%Cr铁铁素体耐耐热钢1T/P922是一种新新型的99%Crr的马氏氏体热强强钢。该该钢是由由日本新新日铁公公司在TT/P991（99Cr-1Moo-V-Nb）合合金成分分的基础础上通过过加入11.8的W取代部部分Moo，大大大提高了了固溶强强化的效效果，得得到了NNF6116（T/PP92，9Crr0.55Mo11.8WWVNbb），6000的许用用应力比比T911高34，可可用作6620以下的的锅炉厚厚壁部件件。该钢已正正式被收收录到AASMEE规范中中的SAA-2113和SSA-3335标标准中，其其许用应应力按规规范案例

4、例（COODE CASSE）21779-33。该类类钢目前前由德国国的V&M和日日本的住住友金属属生产。2E9911(T/PP9111)E9111是欧洲洲COSST5001开发发的新钢钢种，最最初是作作为转子子用钢设设计的，后后来在欧欧洲主要要作为锅锅炉小管管和厚壁壁部件材材料进行行开发，其其成分与与日本新新日铁开开发的NNF6116(TT92/P922)类似似，也是是一种99%Crr的马氏氏体热强强钢，是是在P991基础础上以11.0W取代部部分Moo，在AASMEE规范中中提供的的高温许许用应力力值略低低于P992。该钢种已已被收录录到ASSTM A 2213-03aa和A3335-03中

5、中，其牌牌号为TT/P9911。在在现行的的ASMME20001版版规范中中该钢种种以COODE CASSE 223277的形式式出现，正正式进入入规范材材料。二、 新新型的奥奥氏体耐耐热钢1Suuperr3044HSupeer 3304HH是基于于已被广广泛使用用的、传传统的奥奥氏体耐耐热钢TTP3004H（118Crr-8NNi）钢钢，应用用多元合合金强化化理论、弥弥散强化化理论等等开发的的一种新新型的奥奥氏体钢钢，其公公称成分分为(0.11C-118Crr-9NNi-33Cu-Nb-N)。现现已被列列入了AASMEE COODE CASSE 223288，并收收录到美美国材料料与试验验学

6、会材材料标准准ASTTMA2133 (003a版)中，UUNS编编号S3304332；日日本标准准牌号SSUS3304JJ1HTTB。该该钢由日日本Y.Sawwaraagi等等人开发发，日本本住友金金属株式式会社将将其工业业化生产产，在成成分上的的特征是是： 为提高蠕蠕变断裂裂强度增增加了33%左右右的Cuu。即在在蠕变中中Cu富集集相在奥奥氏体基基体中微微细分散散共格析析出，大大幅度提提高了材材料的蠕蠕变断裂裂强度； 通过复合合加入NNb、N元素，达达到进一一步提高高材料的的高温强强度和持持久塑性性。该钢在成成分的设设计上以以典型的的18CCr-88Ni作作为基础础，从经经济性的的角度出出发

7、，不不用价格格相对较较高的WW、Mo等元元素，利利用多元元合金化化原理，即即显著提提高了材材料的高高温蠕变变断裂强强度，又又使其耐耐高温烟烟气腐蚀蚀和高温温蒸汽氧氧化与细细晶粒TTP3447H（TP3347HHFG）大大致相同同。Suuperr3044H在6650时的许许用应力力比TPP3044H高990%、比比TP3347HH高488%、比比TP3347HHFG高高21%，而且且比255Cr-20NNi类的的TP3310HHCbNN(HRR3C)略高55%左右右。由于于Supper3304HH在高温温下具有有较高的的蠕变断断裂强度度和许用用应力，因因此该钢钢是表11中性能能价格比比最好的的材

8、料，采采用这种种钢管制制造超超超临界锅锅炉受压压部件的的经济性性非常显显著，同同时可以以使钢管管壁厚减减薄，钢钢耗量大大大降低低。该材料首首次实际际装机运运行时间间是19989年年，由三三菱重工工株式会会社与和和歌山共共同火力力株式会会社共同同使用在在锅炉的的过热器器和再热热器上 (参数数19MMPa，5711/5443)运行了了6年，其其中原町町1号炉炉19997年投投运至今今已8年年。高参参数下的的更长期期的安全全使用性性能还需需要实机机考核。该钢的焊焊接性和和冷热加加工性与与TP3347HH相当。另另外，从从19889年开开始，哈哈尔滨锅锅炉厂有有限责任任公司、东东方锅炉炉股份有有限责任

9、任公司、上上海锅炉炉厂有限限责任公公司、机机械部发发电设备备服务中中心与日日本住友友金属公公司合作作，对一一些新型型耐热钢钢进行了了部分的的性能复复核及研研究，针针对的主主要材料料是T223(HHCM22S)、T911/P991、HCMM12AA、Supper 3044H。该钢种目目前只有有日本住住友金属属一家公公司在生生产，实实用业绩绩也主要要集中在在日本本本土或其其设计的的锅炉，三三菱公司司与哈锅锅合作的的玉环、泰泰州、营营口、阚阚山、河河源工程程超超临临界锅炉炉上使用用了该材材料。2.HRR3C(TTP3110HCCbN)HR3CC是一种种结合了了TP3310HH和TP3310CCb的改

10、改进的225Crr-200Ni型型奥氏体体耐热钢钢，其公公称成分分为0.1C-25CCr-220Nii-Nbb-N，现现列入了了ASMME SSA-2213/SA-2133M标准准中，材材料牌号号TP3310HHCbNN（UNSS S3310442），许许用应力力按ASSME CODDE CCASEE 21115-1。该该材料由由日本住住友金属属株式会会社开发发，由于于在原TTP3110H的的基础上上添加了了微量的的Nb和N（Nb：0.22000.600%，N：0.1550.35%），使使这种钢钢的高温温许用应应力在9950（5200）以上比比TP3310HH有显著著提高，在在金属壁壁温为66

11、50时，该该材料的的高温蠕蠕变强度度为TPP3100H的22倍左右右。由于于具有高高Cr、高高Ni，因因此抗高高温蒸汽汽氧化、抗抗烟气腐腐蚀的性性能比118Crr-8NNi或119Crr-111Ni要要高出许许多，是是一种以以高参数数的超超超临界锅锅炉过热热器或再再热器高高温段部部件为使使用背景景的材料料。HR3CC目前住住友金属属生产，但但类似的的25CCr级钢在在日本有有二、三三家钢厂厂生产。以上六种种材料的的化学成成分、常常温力学学性能、许许用应力力见表11表4。表1 奥奥氏体钢钢管的化化学成分分和力学学性能材料牌号Supeer 3304HHTP3447HFFGTP3004HTP3447

12、HTP3110HTP3110HCCbN(HR33C)UNS编号S304432-S304409S347709S310009S310042公称成分18Crr-9NNi-3Cuu-Cbb-N18Crr-100Ni-Cb18Crr-8NNi18Crr-100Ni-Cb25Crr-200Ni25Crr-200Ni-Cb-NN材料标准SA-2213CODEE CAASE223288SA-2213CODEE CAASE221599-1SA-2213SA-2213SA-2213SA-2213CODEE CAASE221155-1化学成分分C0.077-0.130.066-0.100.044-0.100.044

13、-0.100.044-0.100.044-0.10Si0.3300.7750.7750.7750.7750.775Mn0.5502.0002.0002.0002.0002.000P0.00450.00400.00400.00400.00400.0030S0.00300.00300.00300.00300.00300.0030Cr17.000-119.00017.000-222.00018.00-200.017.00-200.024.000-226.00024.000-226.000Ni7.500-100.5009.000-133.08.000-111.0009.000-133.00019.00

14、0-222.00017.000-223.000Nb0.200-0.600.200-0.60Ta+NNb0.200-0.808CC1.008CC1.00Cu2.500-3.50Al0.0003-00.0330N0.055-0.120.155-0.35B0.0001-00.0110室温力学学性能抗拉强度度Rmksi (MPPa)80(5500)80(5500)75(5155)75(5155)75(5155)95(6555)屈服强度度Rp00.2ksi(MPaa)30(2055)30(2055)30(2055)30(2055)30(2055)43(2955)伸长率 A 500mm,%35353535

15、3530硬度1922HB(90HHRB)1922HB(90HHRB)1922HB(90HHRB)1922HB(90HHRB)1922HB(90HHRB)2566HB(1000HRBB)表2 奥奥氏体钢钢管的许许用应力力金属温度度不超过过F许用应力力值（kksi）Supeer 3304HHTP3447HFFGTP3004HTP3447HTP3110HTP3110HCCbN(HR33C)-20100020.0020.0020202027.1120020.0020.0020202026.9930020.0020.0018.9918.882025.4440020.0019.9918.3317.8819

16、.9924.6650019.4419.3317.5517.1119.3324.2260018.6619.1116.6616.9918.5524.0065018.3319.0016.2216.8818.2223.9970018.0018.9915.8816.8817.9923.8875017.7718.8815.5516.8817.7723.7780017.4418.6615.2216.8817.4423.6685017.2218.3314.9916.8817.2223.4490016.9918.1114.6616.7716.9923.1195016.7717.9914.3316.6616.77

17、22.881000016.4417.771416.4413.8822.441050016.2217.5512.4416.2210.3322.001100016.0016.669.814.117.616.111150014.7712.887.710.555.513.661200011.449.76.17.9410.11125008.77.34.75.937.6130006.55.43.74.42.25.7135004.74.02.93.21.74.3140003.32.32.51.3145002.21.81.80.977150001.51.41.30.755（1）TTP3004H、TP3347H

18、H和TP3310HH的许用用应力摘摘自ASSME Secctioon III-D篇；（2）SSupeer 3304HH、TP3347HHFG和和TP3310HHCbNN的许用用应力摘摘自ASSME规规范案例例（COODE CASSE）。图1 几几种奥氏氏体钢的的许用应应力表3 铁铁素体钢钢管的化化学成分分和力学学性能材料牌号号T91/P911T92/P922(NF6616)T9111/P9911（E9111）T1222/P1122(HCMM12AA)公称成分分9Cr-1Moo-V9Cr-2W9Cr-1Moo-1WW-Cbb12Crr-2WW材料标准准ASMEE SAA-2113ASMEE SA

19、A-3335ASMEE SAA-2113ASMEE SAA-3335CODEE CAASE221799-3ASTMM A 2133ASTMM A 3355CODEE CAASE223277ASMEE SAA-2113ASMEE SAA-3335CODEE CAASE221800-2化学成分分C0.088-0.120.077-0.130.099-0.130.077-0.14Mn0.300-0.600.300-0.600.300-0.600.770P0.00200.00200.00200.0020S0.00100.00100.00100.0010Si0.200-0.500.5500.100-0.5

20、00.550Cr8.000-9.508.500-9.508.5-9.5510.000-112.550Mo0.855-1.050.300-0.600.900-1.100.255-0.60V0.188-0.250.155-0.250.188-0.250.155-0.30W1.500-2.000.900-1.101.500-2.50Nb0.066-0.100.044-0.090.0660-00.10000.044-0.10B0.0001-00.00060.00003-0.00060.0005N0.0330-00.07700.0330-0.07000.0440-00.09900.0440-00.100

21、0Ni0.4400.4400.4400.550Al0.00400.00400.00400.0040Cu0.300-1.70力学性能能抗拉强度度Rmksi (MPPa)85(5855)909090屈服强度度Rp00.2ksi(MPaa)60(4155)646458伸长率AA 5,50mmm, %20202020硬度2500HB(2655HV)(25HHRC)2500HB(25HHRC)2388HB(99.5HRRB)2500HB(25HHRC)表4 铁铁素体钢钢管的许许用应力力金属温度度不超过过F许用应力力值（kksi）T91/P911T92/P922T9111/P9911T1222/P1122

22、-20100024.3325.7725.7725.7720024.3325.7725.7725.7730024.3325.3325.1125.0040024.2224.5524.1124.2250024.1123.8823.6623.7760023.7723.2223.2223.1165023.4422.8823.0022.9970022.9922.4422.7722.5575022.2221.9922.3322.1180021.3321.4421.7721.6685020.3320.8821.0021.1190019.1120.1120.1120.3395017.8819.2219.0019

23、.551000016.3318.3317.7718.551050014.00(122.9)17.22(166.6)14.9916.881100010.33(9.6)13.66(133.0)11.4412.99115007.010.22(9.6)6.79.3120004.36.9(-)6.2（1）TT92/P922括号中中的数据据是锻件件和锻制制公称管管的许用用应力，没没有括号号的数据据是管子子和公称称管的许许用应力力。T991/PP92括括号中的的数据适适用于外外径大于于3inn的管子子（2）TT92/P922、T1122/P1222高于于11550适用于于最大外外径限制制为3.5inn的管子

24、子。（3）TT91/P911的许用用应力摘摘自ASSME Secctioon III-D篇；（4）TT92/P922、T9911/P9111和TT1222/P1122的的许用应应力摘自自ASMME规范范案例（CODE CASE）。图2 几几种铁素素体钢管管的许用用应力比比较图超超临界界锅炉受受压件材材料的焊焊接工艺艺海门电厂厂10000MWW超超临临界锅炉炉在屏式式过热器器、高温温再热器器和高温温过热器器中采用用高温强强韧性和和抗热腐腐蚀性更更好的细细晶粒奥奥氏体不不锈钢AASMEE-Coode-Casse23328（日日本住友友金属工工业株式式会社牌牌号为SSUPEER3004H）和和新型奥

25、奥氏体不不锈钢HHR3CC。在其其它部件件中使用用亚临界界锅炉中中常用的的碳钢（SA2210CC）、低合合金耐热热钢（SSA-3335PP92，SSA-2213TT12，SSA-2213TT22，SSA-3335PP12,SA-3355P222，SAA-3335P991，SSA-2213TT91）。1新型型材料焊焊接工艺艺介绍（1）SSUPEER3004H的的焊接SUPEER3004H（0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N）即ASME-Code-Case2328是日本住友金属工业株式会社研制开发的新型奥氏体不锈钢管。由于加入了阻止奥氏体晶粒长大的Cu、Nb、N等元素，使SUPER304

26、H具有较细的晶粒尺寸，其许用应力值比ASME法规材料SA-213TP347H高20，具有较高的高温强度，其韧性与SA-213TP347H相当，焊接性能良好。住友金属工业株式会社研制开发了化学成分和各项性能与SUPER304H相匹配的焊接材料T-304H焊丝和304H焊条。（2）CCODEE CAASE221155的焊接接CODEE CAASE221155（255Cr-20NNi-NNb-NN）是日日本住友友金属工工业株式式会社研研制开发发的新型型奥氏体体不锈钢钢管，CCODEE CAASE221155具有较较高的高高温强度度，较好好的微观观组织稳稳定性及及耐蒸汽汽腐蚀、耐耐热腐蚀蚀性能，并并具

27、有良良好的焊焊接性能能。TT-HRR3C是化化学成分分和机械械性能与与HR33C相匹匹配的焊焊接材料料。2其他他材料的的焊接（1）大大口径管管的焊接接大口径管管的环缝缝一般采采用TIIG+SSMAWW+SAAW的组组合焊接接工艺方方法。焊焊接时采采用与管管材合金金成分、机机械性能能相匹配配的焊接接材料。a.SAA-1006CSA-1106CC用于省省煤器和和水冷壁壁入口集集箱，由由于碳的的强化，标标准抗拉拉强度下下限4885Mppa。集集箱环缝缝焊接方方法采用用TIGG+SMMAW+SAWW的组合合工艺。当当壁厚小小于255时，不不需焊前前预热；壁厚为为2575时，焊焊前预热热1000；壁厚厚

28、大于775时时，预热热1500。焊后后热处理理的加热热温度一一般为6600650。而壁壁厚小于于20时，焊焊后可不不进行热热处理。b.SAA-3335P112SA-3335PP12是是合金系系为1CCr00.5MMo低合合金耐热热无缝钢钢管。该该钢具有有良好的的可焊性性，当壁壁厚115时时，焊前前要预热热至15502200，壁厚厚100的焊焊件，焊焊后要进进行66606690的消除除应力热热处理。c.SAA-3335P222SA-3335PP22属属于2.25CCr-11Mo型型钢材，具具有较高高的热强强性。该该钢有一一定的冷冷裂和淬淬硬倾向向，因此此必须采采取焊前前预热、控控制层间间温度、焊

29、焊后后热热、消氢氢及热处处理等工工艺措施施。焊前前预热温温度20002250，焊后后热处理理温度77007400。d. SSA-3335PP91SA3335P991是马马氏体型型耐热钢钢，焊接接时具有有明显的的冷裂倾倾向。通通过大量量的工艺艺试验研研究及工工艺评定定，P991大口口径管已已经成功功的用于于锅炉过过热器和和再热器器集箱产产品的制制造。大大口径PP91管管的焊接接采用了了TIGG+SMMAW+SAWW的组合合焊接工工艺。TTIG焊焊打底时时，背面面应采用用氩气保保护，实实现单面面焊双面面成型。焊焊接材料料选用日日本神钢钢手工氩氩弧焊填填充丝TTGS-9cbb、CMM-966B9焊焊

30、条， US-9CBBPFF-2000s埋弧焊焊焊丝-焊剂进进行焊接接，获得得了综合合力学性性能良好好的焊接接接头。为了防止止冷裂纹纹的产生生，焊条条电弧焊焊和埋弧弧自动焊焊焊前焊焊件预热热温度应应2500，手工工氩弧焊焊焊件的的预热温温度为1500。焊接接时最高高层间温温度控制制在3550。为了提高高接头的的力学性性能，在在焊接时时采用小小的焊接接线能量量和多层层多道焊焊。焊接接工作结结束后，从从焊接预预热温度度缓慢冷冷却到8801000，使焊焊缝金属属转变成成马氏体体后，加加热到33504000，保温温2小时时进行后后热处理理。焊后后通过776015的热处处理，焊焊接接头头的综合合力学性性能

31、良好好。e. SSA-3335PP92P92是是在P991合金金成份的的基础上上添加WW和少量量B来实实现，WW起固溶溶强化作作用，能能有效降降低M223C6碳化物物长大的的速度，少少量B起起到多元元强化作作用，提提高晶界界的高温温强度。预热温度度：M-GTAAW：1500，SMMAW：2000焊接规规范：（以以神钢材材料为例例）焊接方法法焊接材料料焊材规格格焊接电流流电弧电压压GTAWWTGS-12CCRS2.44mm100-1200A11-114VSMAWWCR-112S3.22mm80-1120AA22-224V4.00mm140-1600A24-226VSAWUS-112CRRS/PP

32、F2000S2.44mm350-4000A30-336V首层根部部焊道采采用M-GTAAW工艺艺焊接，然然后用SSMAWW工艺过过渡并采采用埋弧弧自动焊焊填充并并盖面。电流极性性：直流流反接 焊条烘烘干温度度：3000-33501hh焊接过程程保持预预热温度度，注意意控制层层间温度度：3000采用短弧弧焊接，焊焊接过程程中严格格控制热热输入，收收弧时注注意填满满弧坑。摆摆动焊接接的宽度度不得超超过电极极直径的的2.55倍。保护气体体：氩弧弧焊，AAr气体体流量115-220L/minn，背面面保护气气体为AAr，气气体流量量10-20LL/miin，根根部充氩氩保持至至少焊接接三层以以上。焊后

33、热处处理：热热处理温温度7440-7760，热处处理保温温时间为为1h1innch（225.44mm），升升降温速速度1000-1150h，降降温1550h。（2）小小口径管管的焊接接小口径管管对接焊焊口主要要使用机机械焊方方法焊接接。目前前，对于于低合金金钢小口口径管的的对接接接头主要要采用TTIGMIGG、热丝丝TIGG、自动动TIGG等焊接接方法，难难以实现现自动焊焊的位置置采用手手工氩弧弧焊工艺艺方法。小小口径不不锈钢管管对接焊焊采用手手工氩弧弧焊、自自动TIIG方法法焊接。a.SAA-2133TP3347HHSA-2213TTP3447H是是用铌稳稳定的奥奥氏体不不锈钢。具具有良好好

34、的组织织稳定性性、较高高的持久久强度、良良好的组组织稳定定性和抗抗氧化性性能。该该钢材焊焊接过程程中有热热裂纹倾倾向，因因而应注注意控制制焊接热热输入及及层间温温度。焊焊接材料料焊条电电弧焊采采用E3347HH，MIIG焊采采用ERR3477H，从从而提高高了焊接接接头的的抗裂性性能。若SA-2133TP3347HH与铁素素体类材材料进行行异种钢钢焊接，因因镍基合合金的热热膨胀系系数介于于SA-2133TP3347HH与铁素素体类材材料之间间，所以以采用EERNiiCr33或ENNiCrrFe-3型号号焊丝或或焊条。该该材料有有热裂倾倾向，焊焊接时应应采用较较小的焊焊接热输输入。因因该钢材材钢

35、水较较粘，为为保证坡坡口两侧侧熔合良良好，采采用比一一般铁素素体钢稍稍大的坡坡口角度度。b.SAA-2113T111和SSA-3335TT22SA-2213TT11是与与SA-3355P111具有相相同化学学成分和和强度等等级的低低合金耐耐热无缝缝钢管，具具有良好好的工艺艺性能及及焊接性性。SAA2133T222与SAA-3335P222同属属于2.25CCr-11Mo型型钢材，具具有较高高的热强强性。焊焊接特点点和焊接接要求参参见SAA-3335P111和SSA3335P22的焊接接。c.SAA-2113T991T91管管对接一一般采用用自动TTIG+MIGG和手工工氩弧焊焊方法。手工氩弧弧

36、焊焊接接T911，焊前前将焊接接区预热热2000以上，层层间温度度在3000以下。焊焊接时采采用小电电流，短短弧操作作，管内内部氩气气保护。收收弧时要要采用回回拉式收收弧并填填满弧坑坑，衰减减时间要要比焊接接其它钢钢种长33-5秒秒，且停停弧后，焊焊枪在焊焊接区停停留5秒钟左左右再停停气。 机机械氩弧弧焊焊接接T911，由于于连续施施焊焊前前可以不不预热。首首层TIIG自熔熔是应提提前送气气和有足足够的预预热时间间，背面面充氩气气保护MMIG焊焊填充0.88mmMMGS-9Cbb焊丝。所有T991管对对接焊缝缝，不论论是同种种钢还是是异种钢钢接头，焊焊后244小时内内必须进进行焊后后热处理理。