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神華國華壽電一期工程620℃鍋爐受熱面高溫鋼材應用研究

發布時間:2015-11-13  點擊:292

神華國華壽光一期項目鍋爐出口蒸汽參數為29.4MPa(a)/605/623℃,對應汽機入口參數為28MPa(a)600/620℃。相對與常規參數,本項目鍋爐設計參數的變化主要體現在過熱器出口壓力的提升和再熱蒸汽溫度的提升。過熱蒸汽壓力提升至29.4MPa。壓力提升對材料本身沒有特殊需求,可如通過增大鍋爐受壓件的材料壁厚和規格來適應??梢哉J為,過熱蒸汽壓力的提升對鍋爐的影響較小。相對而言,再熱蒸汽溫度由600提升至620,我們需要更加重視材料的安全性和運行的可靠性問題。本文重點對Super304H、HR3C、A335P92從材料特性、焊接性能、焊后易出現問題以及在壽電620高溫下運行的應對措施進行詳細說明。

1、Super304H應用位置

高過、高再及屏過除外三圈以外的其他管排。

    2、應用詳解

    Super304H是在TP304H的基礎上,通過Cu、Nb、N合金化而得到的一種新型經濟型奧氏體不銹鋼,降低Mn的含量上限,加入約3%Cu、0.45%Nb和一定量的N而得到的,而TP304H是在TP347H的基礎上通過熱處理使晶粒細化到八級以上,大大提高了抗氧化能力。

2.1成分

2.2性能

機械性能:由于氮的固溶加強影響,強度和0.2%彈性極限應力高于普通的18Cr-8Ni不銹鋼,韌性幾乎和TP347H一樣。

抗蒸汽氧化性能:細晶粒Super304H的抗蒸汽氧化性能和細晶粒Super347H相同,,細晶粒TP47的該性能比TP321更優越。

耐高溫腐蝕性能:由于細晶粒結構和Nb的增加,Super304H耐熱腐蝕性能得到改善,幾乎和細晶粒TP347相同。

2.3可焊性

通過適于檢測熱裂紋敏感性的可變約束抗熱裂試驗和約束紋試驗來評價Super304H的可焊性。Super304H的熱裂紋敏感性、裂紋長度和裂紋率低于TP347H。室溫和高溫下,Super304H焊接點強度與母材相同。焊接用的填充金屬成分應與Super304H相匹配。

2.4常用焊材對比

鎳基焊絲(AERNiCrMo-3、(BERNiCr-3和進口的(CYT304H(該焊絲是Super304H進口時的配套焊絲)。

用三種焊材焊接后通過拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗及硬度試驗后對比得出,三種焊材的屈服強度和抗拉強度都大于母材,且符合電力行業DL868的要求,說明焊接接頭常溫拉伸性能良好;彎曲試驗將試樣彎曲到規定的180,用10倍放大鏡觀察未發現任何形式的裂紋或裂開,表面上述三種焊材的焊接接頭都有足夠的塑形,滿足DL868要求;硬度試驗表面三種焊材的焊接接口都大于母材,且硬度從融合線附近至母材區域波動性降低,最后降低至母材硬度,符合硬度試驗要求;沖擊實驗結果,雖然該三種焊材的焊縫沖擊功小于其熱影響區的沖擊攻小于母材的沖擊功,但仍然滿足電力行業標準DL868中的要求。

2.5焊接工藝

1)焊接過程中容易發生的問題

Super304H鋼是TP304H鋼的改進型,添加了3%Cu0.45%Nb。通過彌散強化作用(在均勻材料中加入硬質顆粒的一種材料強化手段)獲得了極高的許用應力,但是合金元素的增加使得液體金屬粘度變大,流動性變差,給焊接操作帶來了困難;另外如果焊接位置困難的話,會引起未來融合缺陷;同時不銹鋼氧化膜耐高溫,焊接過程中不易融化,造成鐵水圍繞小塊的氧化膜流動,而冷卻時卻融合不好,而且氧化膜清理困難,鐵工清理不干凈,從而產生未融合缺陷。

2)工藝措施

A、嚴格對口工藝,要求坡口角度為30°~35°,鈍邊0.5mm~1mm,間隙2~3mm,間隙太小容易造成未焊透,太大則要求金屬填充量大,焊接速度相對減慢,熱輸入量增加,從而造成合金元素燒損;

B、選擇合理的焊接參數:奧氏體在焊接過程中有熱裂傾向,因而要嚴格控制層間溫度,焊接電流是影響焊接質量的關鍵因素,電流過小則不能是母材充分融化造成未焊透,電流過大則使得焊縫容易被氧化,經過摸索比較打底電流為75~81A,蓋面電流為70~74A。

C、控制好層間溫度薄壁小管焊接過程中因為熱量不易散失,焊口溫度容易升高,層間溫度過高,因此我們應該采用盡可能快的焊接速度,每次降溫到100以后再進行焊接。

D、沖氬保護,整根管子沖氬,為防止高溫區合金元素的氧化,在整個焊接過程中進行背面沖氬保護。

E、改進操作技術,建議將鎢棒錐度磨成15°,較尖的鎢極電弧更集中,有利于熔池的形成和提高焊接宿舍都,防止層間溫度過高,焊層不宜太厚,以減少焊縫的熱輸入量,降低層間溫度,壁面焊縫氧化。

2.6焊后易出現的問題:

1)晶間腐蝕,它是奧氏體耐熱鋼一種極其危險的破壞形式,特是沿晶界開始腐蝕,表面上一般不容易發現,但是它使得承壓管道焊接接頭的力學性能顯著下降了,因而易引發早期破壞。根據“碳化物析出造成晶間貧鉻理論”,在450850范圍內,CCr易在奧氏體晶粒邊界處形成炭化鉻,當晶界處的Cr含量降低到小于12%時,鋼材會喪失耐腐蝕性能。

2)應力腐蝕裂紋,它是應力和腐蝕介質聯合作用引起的一種低應力脆性裂紋,奧氏體不銹鋼膨脹系數大,導熱性差,在結構復雜、剛度加大的情況下,焊接變形受到約束,焊后構件特別是焊接接頭會存在較大的焊接殘余應力,如果有腐蝕介質存在,就滿足了應力腐蝕裂紋的沖要條件,從而使奧氏體不銹鋼產生應力腐蝕裂紋的傾向較大。

2.7焊后熱處理:原則上,Super304H焊后不需要進行熱處理,但如果在氯離子的環境中施工,而且接頭進倉儲前又沒有有效的防止氯離子對熱影響區污染的得力措施的情況下,需要進行焊后熱處理。熱處理建議采用高溫會火處理,處理方法為隨爐升溫,溫升50/h,755保溫50min,然后降溫,降溫速度不大于50/h。

   3、經濟型

    Super304H在高溫條件下具有優良的性能,能滿足超超臨界鍋爐所需在高參數下保持高機械強度的需求。在同樣的溫度和壓力下,使用Super304H超臨界使用的合金材料比較,爐管壁厚大幅減少。因此,相應的單位長度重量明顯減少,同樣受熱面積所用的鋼材隨其性能的提高而用量減少。Super304H的性價比比其他鋼材優越,可以大量使用。使用Super304H不僅在經濟上有優點,而且由于管材壁厚減少降低了承壓部件的總重量,減少了結構稱重和應力、熱應力等,也減少了制造成本和施工的難度。從而給制造商帶來經濟效益。

   4、Super304H在壽光電廠的應用

    Super304H是一種用于高參數、超超臨界鍋爐受熱面管的新材料,由于細銅相的沉淀強化作用和Nb成分的摻和,增強了Super304H的蠕變斷裂強度,在高溫下具有優良的機械性能和抗蒸汽氧化和耐熱腐蝕的性能,可以在650以下長期運作。

壽光電廠一期機組鍋爐再熱器出口蒸汽溫度為623,爐內受熱面采用的SUPER304H材質不銹鋼管最高使用溫度超過700,有較大的溫度余量,可以滿足623參數的要求。因此,該材質在爐內的應用應無較大問題,且在鍋爐技術協議中明確要求設備廠家在進行Super304H的選材時應滿足晶粒度大于 七級,管子內壁經過噴丸處理,進一步提升該材質受熱面的抗氧化性能。

5、HR3C 應用位置

高過、高再、屏過外三圈。

6、應用詳解

HR3C的美國牌號是SA213TP310HCbNC(ASE2115-1),簡稱超級不銹鋼。HR3C也是25Cr-20Ni-Nb-N,也是TP310NbN,改進的由Nb、N強化的TP310NbN,改進的由Nb、N強化的TP310鋼,具有較高的高溫強度和耐腐蝕性能,較好的加工性和焊接性,特別是具有極其優異的抗蒸汽氧化性。

性能

它是利用鋼中析出微細的CrNbN化合物的Nb的碳氮化合物以及M23C6M對鋼進行強化,使鋼具有了較高的高溫溫度,綜合性能較其他TP300系列的奧氏體優良;由于Cr含量高,HR3C鋼的抗蒸汽氧化性和高溫腐蝕性優于18~8不銹鋼,與具有相同含量的310不銹鋼類似,有極高的許用應力,最高使用溫度為700,是USC鍋爐和高硫、高氯燃煤鍋爐的首選材料之一。

焊材選用

可選用配套的進口焊材YT-HR3C焊絲進行焊接,也可以選用德國蒂伯品牌的Thermain617鎳基合金氬弧焊絲。

當前國內已經進行篩選的焊材有ERNiCr-3、ERNiCrMo-3、ERNiCrCoMo-1YT-HR3C,其中ERNiCr-3蠕變斷裂強度低于HR3C,而且美標的限制使用溫度為480,不能應用于我單位620攝氏度的工作環境,所以去除;ERNiCrMo-3的蠕變斷裂強度相當,但是具有實效脆化傾向,而且美標的限使用溫度為540攝氏度,不能應用于我單位620攝氏度的工作環境,所以去除ERNiCrMo-1焊材的蠕變斷裂強度高、抗氧化性好、抗腐蝕性好、完全符合美國ASME標準。是替代YT-HR3C的理想焊材。

焊接工藝

選用直徑為2.4mmERNiCrMo-1焊絲。

A、打磨坡口,將坡口表面積沒側各10~15mm范圍進行打磨直至露出金屬光澤,坡口角度為30~35°,對口間隙2.5~3.2mm,鈍邊0~1mm,用水溶紙對兩端管口進行封堵,形成嚴密的小氣室,對口時做到內壁齊平,如有錯口,其錯口值不得超過壁厚的10%。

B、沖氬保護,用專用工具對小氣室進行沖氬保護,開始沖氬時先將氬氣流量開到最大(20~25L/min),待氣室的空氣排凈后調制正常流量(8~10L/min)。

C、、打底穿焊接,引弧后迅速將電弧電壓壓低至溶池表面1~1.5mm,并將其移動到坡口的鈍邊處,送絲按照鋸齒形運條法焊接,氬弧打底優先選用內夾絲,焊絲斷頭始終指向熔池上部略靠近管子內側處,有利于焊縫根部焊透并可防治內凹。

D、填充蓋面,蓋面時盡量選用小電流、快速焊、薄焊層,線能量一般控制在15KJ/cm一下,嚴格控制層間溫度,不得高于100攝氏度,有利于得到合格的金相組織。

焊后易出現的問題

該鋼材在焊接過程中有熱裂紋傾向,這種裂紋常出現在焊縫中,尤其容易發生在焊縫收尾和弧坑處,因而要注意控制焊接熱輸入及層間溫度,另外為防止高溫區合金元素的氧化,在整個焊接過程中要進行背面沖氬保護,防止根部焊縫和母材的過燒。

焊后熱處理

該鋼材屬于單一的奧氏體組織,焊接性能良好,無冷裂傾向,因而無需做熱處理,但如果在氯離子的環境中施工,而且接頭進倉儲前又沒有有效的防止氯離子對熱影響區污染的得力措施的情況下,需要進行焊后熱處理。熱處理建議采用高溫會火處理,處理方法為隨爐升溫溫升50/h,在755保溫50min,然后降溫,將為速度不大于50min/h。

3RH3C在壽電的應用

壽光電廠一期機組鍋爐再熱器出口蒸汽溫度為623,爐內水平煙道對流受熱面外三圈采用的HR3C材質不銹鋼管最高使用溫度超過700,有較大的溫度余量,可以滿足再熱汽出口623參數的要求。

7、A335P92應用位置

高溫再熱器管道及末級過熱器出口集箱及管道

8、應用詳解

P92鋼的化學成分和性能特點根據國外資料介紹,P92鋼材的化學成分和組織性能具有以下特點。

2.1ISA335-P92鋼市在P92鋼的基礎上添加W元素,適當減少MO元素的含量,開發出來的一種新型鋼種。

2.2P92鋼的主要性能

1)具有良好的物理性能

2)具有比P91鋼更高的高溫蠕變斷裂強度

3)具有優異的常溫沖擊韌性

4)具有優良的抗氧化性能

3P92鋼的焊接性分析

8.1焊接裂紋敏感性比傳統的鐵素體耐熱鋼低

根據實驗結果得知P92鋼只需預熱到100,P91鋼需要預熱到180裂紋率為零,而P22鋼需預熱到300才能達到。

8.2具有較明顯的時效傾向

P92鋼經3000h時效后,其韌性下降了許多。P92鋼的沖擊攻從時效前的220J左右降到了70J左右,在3000h時效以后,沖擊功繼續下降的傾向不明顯,沖擊功將穩定在時效3000h的水平。時效傾向發生在550~650的范圍內,這個溫度范圍正式該鋼材的工作溫度范圍。母材具有明顯的時效傾向,與母材成分相近的焊縫也會有同樣的傾向。

8.3焊縫韌性低于母材的原因

焊縫金屬韌性不及母材的原因,在于焊縫金屬是從溫度非常高的熔融狀態冷卻下來的鑄造結構,它沒有機會經過TMCP過程即熱控軋加工過程,晶粒得不到細化,Nb等元素還固溶在基體內,沒有機會充分析出的緣故。

8.4盡管P92鋼開發出來已經有20多年了,但在國外大規模應用的業績并不是太多,在國內剛開始應用。焊接接頭是影響機組運行安全的最薄弱環節,由于P92鋼合金元素含量高,焊接上有較大的技術難度,容易出現接頭沖擊功底和長期運行中的IV型開裂早期失效,如果焊接質量得不到保證,P92的優勢將不復存在,并對機組運行安全性帶來威脅。

4P92鋼大口徑厚壁管道焊接的主要問題

由于P92鋼具有明顯的時效傾向,與母材成分相近的焊縫也會有同樣的傾向。為了避免焊縫金屬時效后韌性過低,提高焊縫金屬時效性前的原始韌度,為時效留出一定的余量,是P92鋼大口徑厚壁管道焊接的主要問題。圍繞提高焊縫韌性這個關鍵問題,我們從焊材的選擇、焊接中的預熱、層間溫度、焊接熱輸入量、熱處理溫度和時間等方面展開了研究,從大量的試驗數據中尋找影響焊縫韌性的因素,編制提高焊縫韌性的最佳工藝,從而為保證SA335-P92鋼工廠化配管焊接質量打下扎實的基礎。

5SA-335-P92鋼材在壽光電廠的應用

壽光一期工程高再及高過出口集箱均采用SA335-P92材質,其ASME規范最高使用溫度為650,國內規定的最高使用溫度不超過630,壽光電廠再熱汽出口溫度為623,高再出口集箱的設計溫度可能達到630,已接近P92的最高使用溫度,鑒于在這個溫度區間,國內外尚無更好的并成熟應用的其他替代材料,高再出口集箱必須采用SA335-P92材料,避免在運行期間發生超溫時間,我公司要求東鍋設計一系列的減少溫度偏差的措施,將集箱的設計溫度控制在630以內。

為解決再熱器壁溫過高,P92/T92材料無法適應的問題,壽光電廠要求東方鍋爐廠從爐膛設計、燃燒器布置、燃燒組織、受熱面設計等方面,設計一系列減少煙溫偏差、蒸汽側熱力偏差的措施,降低再熱器管的壁溫,從而實現材料不升檔也能有一定裕量,以保證再熱器的安全性。以下為東方鍋爐廠按照壽光電廠要求設計并濕濕的減少煙溫偏差、蒸汽測熱力偏差的措施。

8.1采用國際上廣泛應用的II型布置形式,典型的前后墻對沖燃燒系統?;鹧嬖跔t膛中對沖,有利于增強擾動,爐內火焰充滿情況較好,維持爐膛左右兩側有均衡的燃燒性能,保證均衡的燃燒熱負荷??纱_保沿爐膛左右兩側有均衡的燃燒性能,使爐膛出口左右兩側煙溫偏差達到較小水平;

8.2合理布置大風箱的結構形式,如在大風箱同層各燃燒器的風道中加導流板等,使沿爐膛寬度方向上各燃燒器的配風更均勻;

8.3選用單只熱功率較小的燃燒器,使燃燒器與爐墻、燃燒器與燃燒器間有足夠的距離,避免火焰撞擊爐墻和相互干擾;

8.4合理選取爐膛容積,在爐膛上部布置大節距的屏式過熱器,使煙氣在爐膛內有足夠的燃燒停留時間,同時又能使煙氣在爐膛出口部分混合較好。

8.5 采用數值模擬技術,通過數值模擬預測爐膛的空氣動力場、煙氣流場及溫度場;

8.6 合理調整各層煤粉管道阻力和爐膛寬度方向上煤粉輸入的均勻性,減少煙溫偏差,以及對氣溫偏差的影響;

8.7 各級再熱器的連接采用合理的引入引出方式。低溫再熱器出口與高溫再熱器之間進行了一次左右交叉;

8.8 各級再熱器之間的連接采用了大管道連接,使蒸汽能充分混合。引入引出管盡量對稱布置,減少靜壓差,使流量分配均勻,減少氣溫偏差;

8.9 采用較大的集箱規格,加強集箱內的混合效果,減少屏間偏差;

8.10合理布置再熱器各級受熱面面積及吸熱比例,減少高溫再熱器的焓增,減少高再出口蒸汽水利偏差;

8.11 合理選用受熱面管子的規格,取得與熱負荷相適應的蒸汽流量。即使同一級的受熱面,管子規格也根據結構和所處的位置不同而有所不同。如再熱器水平管組根據在蒸汽流程中的不同位置和溫度變化情況采用了不同的管子直徑和材料,使受熱面管材的布置更為合理。采用了放大最外圈管的口徑,整體放大節流孔,針對內外圈不同位置的管子采取不同的節流孔,控制壁溫偏差,調節管子流量,減小屏間偏差;

8.12再熱器氣溫采用尾部煙氣擋板調節。通過煙氣擋板開度的大小來調節通過尾部后豎井底溫再熱器的煙氣流量,從而達到調節再熱氣溫的目的;

8.13 在低再出口管道上設置事故噴水減溫器,設有左右兩個噴水點,兩側減溫管路分別用單獨的調節閥調節左右兩側管路上的噴水量,事故狀況下調節氣溫,消除偏差。

9、結論

通過以上各個材料的分析比較,Super304H、HR3C這兩種材質本身的最高許用溫度都遠遠高于實際運行溫度,可以滿足620的運行要求。SA335P92的國標許用溫度為630,已經接近于再熱器蒸汽出口溫度,通過一系列的減少溫度偏差的措施,將集箱和管道的設計溫度控制在630以內,均可達到使用要求。


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