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火电厂锅炉耐热钢的选材及发展
【摘 要】火力发电是我国的主要发电方式之一，而超（超）临界发电是我国火力发电技术的主要发展方向。材料技术又是超（超）临界机组发展的关键问题，我国锅炉关键耐热材料主要依靠进口，对国外耐热钢有很大依赖性。因此，了解国际上高温材料的方向，开发新型耐热钢对我国超（超）临界锅炉的发展将起到重要的作用。本文汇总了比较先进的一些耐热钢的特点，为耐热钢的选材及研发提供参考。
【关键词】超超临界；锅炉；耐热钢
火电厂锅炉要使用大量金属材料，中高压锅炉机组受热面管常用珠光体耐热钢及18-8型粗晶粒奥氏体耐热钢制造。随着发电技术的发展，大容量、高参数火电机组近年来大量投入电网，现在超（超）临界机组已成为中国电力生产市场的主力机型。提高火力发电厂效率的最有效方法之一是提高锅炉蒸汽温度、压力等参数。而提高蒸汽参数遇到的主要难题是金属材料的问题。火电厂锅炉受热面管子与蒸汽管道常用的传统钢材及其特点
中、高压锅炉机组受热面管子中，因水冷壁管和省煤器管温度较低，一般采用优质碳素结构钢就能满足需要，如20、20G钢，省煤器加装防磨瓦。
过热器管和蒸汽管道一般采用合金钢管，常用的是1%-3%Cr系列的低合金耐热钢以及18-8型粗晶粒奥氏体耐热钢。主要钢种有：
（1）15CrMo珠光体耐热钢，对应的美国钢号有T11、T12、P11、P12，德国的13CrMo44；
（2）12Cr1MoV珠光体耐热钢，对应的美国钢号有T22、P22，类似的还有德国的10CrMo910；
（3）12Cr2MoWVTiB珠光体耐热钢，也叫钢研102；
（4）传统的18-8型粗晶粒奥氏体耐热钢0Cr19Ni9、1Cr19Ni11Nb，对应的美国钢号TP304H、TP347H。
20、20G，属于低碳钢，塑性、韧性好，焊接性好，在450℃以下有足够的强度，在530℃以下具有满意的抗氧化性，但长期在450℃以上使用会发生珠光体球化和石墨化，降低蠕变极限和持久强度，引起爆管。
15CrMo（T11、T12、P11、P12），由于铬元素提高了碳化物的稳定性，有效阻止了石墨化的倾向，但珠光体球化及合金元素再分配现象会导致材料的热强性下降，超过550℃时，热强性下降明显，抗氧化性变差。
12Cr1MoV（T22、P22），有较高的热强性及持久塑性，580℃时表面形成致密氧化物保护膜，有足够的抗氧化性、良好的焊接性，长期运行会出现珠光体球化和合金元素再分配现象，降低热强性。
12Cr2MoWVTiB（钢研102），有良好的综合力学性能，但其热强性对热处理比较敏感，要求热处理工艺严格控制，主要用于壁温不大于600℃的过热器管、再热器管，很少用于蒸汽管道。
传统的18-8型粗晶粒奥氏体耐热钢0Cr19Ni9、1Cr19Ni11Nb（TP304H、TP347H），有很高的热强性及抗氧化性，高的耐腐蚀性，使用温度在650℃，但长期使用易发生蒸汽侧氧化皮剥落，造成小管径弯头堵塞爆管。超（超）临界锅炉对材料的要求
超（超）临界锅炉对所用材料的热强性、抗高温腐蚀和蒸汽侧抗氧化能力都有更高的要求，所以研发新型锅炉用材料成为发展先进机组的技术核心。目前各国都在积极研发新型耐热材料，美国、日本都有较成熟的产品，我国近几年新建的大型机组使用的材料大多依赖于从国外进口。超（超）临界电站锅炉采用的国外新材料
当前国内国际普遍采用和研制推广的耐热新钢种有以下几类：
3.1 新型细晶粒强韧化耐热钢（含铁素体耐热钢和马氏体耐热钢）
T23：是在T22基础上，结合钢研102的优点改进的，通过降低C含量和添加 W、V、Nb、B而获得的低碳、多元、高强度、高韧性的贝氏体型耐热钢。在600℃时强度比T22高93%，与钢研102相当，但含碳量更低，焊接性和加工性更好。
T24：与T22的化学成分相比较，增加了V、Ti、B，减少了含碳量，焊接性能良好。T23、T24钢金相组织为贝氏体和马氏体。如果冷却速度极端缓慢得到铁素体和珠光体，力学性能会变坏。在超临界和超超临界压力锅炉中，水冷壁的壁温有时候会达到550℃。碳素钢不能满足需要，T23、T24成为水冷壁的最佳选材。
T91：是改良的9Cr-1Mo型高强度马氏体耐热钢，是一种综合性能优异的 9%Cr 钢，该钢通过降低含碳量，添加合金元素V和Nb，控制N和Al的含量，使钢具有高的冲击韧性、热强性和抗腐蚀性。此外，该钢的线膨胀系数小，导热性好。主要用于亚临界参数、超临界参数锅炉中壁温不大于600℃的集箱及蒸汽管道，同时也是代替T22、P22的理想材料，是改造现役机组高温部件的理想替换材料。
T92：是在T91的基础上通过减少Mo、增加W的含量，并控制B的含量得到的新型9%Cr的马氏体耐热钢，力学性能与T91相当，焊接性能有所改善。600～650℃的蠕变强度有很大提高。许用应力比T91高34%，强度是TP347H的1.12倍。有望在大型锅炉再热器、过热器高温段代替TP304H、TP347H钢。
T122：是一种12%Cr的马氏体耐热钢，添加2%的W、0.07%Nb和1%的Cu，该钢具有更高的热强性和耐腐蚀性，含碳量的降低，焊接性能也进一步得到改善，主要用于制造620℃以下的主蒸汽管道。
E911：也是一种9%Cr的马氏体耐热钢，是在T91基础上以1.0%的W取代部分Mo，利用W、Mo复合固溶强化，同时B能够起到填充晶间空位，强化晶界的作用，并且B还能形成碳硼化合物，稳定碳化物沉淀强化效果，从而提高了钢的热强性。E911钢中的含W量低于T92，故E911钢的工艺性比T92更好。
3.2 新型细晶粒奥氏体耐热钢
奥氏体钢晶粒细化可以明显提高其许用应力。
SUPER304H：是TP304H的改进型，添加了3%的Cu、0.4%的Nb，由于细晶粒结构和细铜相的沉淀强化作用，获得了极高的蠕变强度，在600～650℃许用应力比TP304H高30%，在高温下具有优良的机械性能、抗蒸汽氧化和耐热腐蚀性能，可以在650℃以下长期运行。是超（超）临界锅炉过热器、再热器的首选材料。
TP347HFG：是TP347H型不锈钢通过特定的热加工和热处理工艺，使晶粒细化到8级以上，经细化晶粒后许用应力提高了20%以上。也大大提高了材料抗蒸汽氧化的能力。
3.3 高铬镍奥氏体钢
HR3C钢（25Cr-20Ni-Nb-N钢）：是日本研制出的一种新型不锈钢。通过限制C含量，并添加0.20%～0.60%的Nb，0.15%～0.35%的N，利用弥散析出的强化相，材料具有优良的高温强度和抗高温蒸汽氧化性能，是650℃超（超）临界电站锅炉中末级过热器和再热器的主要耐热钢管材之一。
NF709（20Cr-25Ni-Mo-Nb-Ti-N-B）：是在常规奥氏体不锈钢基础上，严格控制杂质，对成分做了进一步完善研制而成的，专用于超临界机组锅炉的新型奥氏体不锈钢。在该钢中，Ni含量达25%左右、Cr含量20%左右，有很高的持久强度及优良的抗氧化性和耐蚀性；焊接性能与常规的18-8不锈钢相当。结论
我国的一些新建大型机组已经开始使用以上几类新材料，主要用于制造超（超）临界压力参数的大型发电锅炉或循环流化床锅炉的高温过热器、高温再热器、屏式过热器的高温段以及各种耐高温、高压或腐蚀的管件等。其安全性和优缺点还需要经过多年的长期运行来检验。另外，我国在高温新材料的研发上还相对落后，因此，了解目前国际上高温材料的应用及发展方向，可以借鉴国外的成功经验，尽快开发出适合我国资源的优质耐热钢。
【参考文献】
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