火電廠鍋爐耐熱鋼的選材及發展

賀紅梅 李妍緣 王云霞

（鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 451460）

火電廠鍋爐要使用大量金屬材料，中高壓鍋爐機組受熱面管常用珠光體耐熱鋼及18-8 型粗晶粒奧氏體耐熱鋼制造。 隨著發電技術的發展，大容量、高參數火電機組近年來大量投入電網，現在超(超)臨界機組已成為中國電力生產市場的主力機型。提高火力發電廠效率的最有效方法之一是提高鍋爐蒸汽溫度、壓力等參數。 而提高蒸汽參數遇到的主要難題是金屬材料的問題。

1 火電廠鍋爐受熱面管子與蒸汽管道常用的傳統鋼材及其特點

中、高壓鍋爐機組受熱面管子中，因水冷壁管和省煤器管溫度較低，一般采用優質碳素結構鋼就能滿足需要，如20、20G 鋼，省煤器加裝防磨瓦。

過熱器管和蒸汽管道一般采用合金鋼管，常用的是1%-3%Cr 系列的低合金耐熱鋼以及18-8 型粗晶粒奧氏體耐熱鋼。 主要鋼種有：

（1）15CrMo 珠光體耐熱鋼， 對應的美國鋼號有 T11、T12、P11、P12，德國的 13CrMo44；

（2）12Cr1MoV 珠光體耐熱鋼，對應的美國鋼號有 T22、P22，類似的還有德國的10CrMo910；

（3）12Cr2MoWVTiB 珠光體耐熱鋼，也叫鋼研 102；

（4）傳統的18-8 型粗晶粒奧氏體耐熱鋼0Cr19Ni9、1Cr19Ni11Nb,對應的美國鋼號TP304H、TP347H。

20、20 G，屬于低碳鋼，塑性、韌性好，焊接性好，在450℃以下有足夠的強度，在530℃以下具有滿意的抗氧化性，但長期在450℃以上使用會發生珠光體球化和石墨化，降低蠕變極限和持久強度，引起爆管。

15CrMo （T11、T12、P11、P12）， 由于鉻元素提高了碳化物的穩定性，有效阻止了石墨化的傾向，但珠光體球化及合金元素再分配現象會導致材料的熱強性下降，超過550℃時，熱強性下降明顯，抗氧化性變差。

12Cr1MoV（T22、P22），有較高的熱強性及持久塑性，580℃時表面形成致密氧化物保護膜，有足夠的抗氧化性、良好的焊接性，長期運行會出現珠光體球化和合金元素再分配現象，降低熱強性。

12Cr2MoWVTiB(鋼研102)，有良好的綜合力學性能，但其熱強性對熱處理比較敏感，要求熱處理工藝嚴格控制，主要用于壁溫不大于600℃的過熱器管、再熱器管，很少用于蒸汽管道。

傳統的 18-8 型粗晶粒奧氏體耐熱鋼 0Cr19Ni9、1Cr19Ni11Nb（TP304H、TP347H），有很高的熱強性及抗氧化性，高的耐腐蝕性，使用溫度在650℃，但長期使用易發生蒸汽側氧化皮剝落，造成小管徑彎頭堵塞爆管。

2 超（超）臨界鍋爐對材料的要求

超（超）臨界鍋爐對所用材料的熱強性、抗高溫腐蝕和蒸汽側抗氧化能力都有更高的要求，所以研發新型鍋爐用材料成為發展先進機組的技術核心。目前各國都在積極研發新型耐熱材料，美國、日本都有較成熟的產品，我國近幾年新建的大型機組使用的材料大多依賴于從國外進口。

3 超（超）臨界電站鍋爐采用的國外新材料

當前國內國際普遍采用和研制推廣的耐熱新鋼種有以下幾類：

3.1 新型細晶粒強韌化耐熱鋼 （含鐵素體耐熱鋼和馬氏體耐熱鋼）

T23：是在T22 基礎上，結合鋼研102 的優點改進的，通過降低C含量和添加 W、 V、Nb、B 而獲得的低碳、多元、高強度、高韌性的貝氏體型耐熱鋼。 在600℃時強度比T22 高93%，與鋼研102 相當，但含碳量更低，焊接性和加工性更好。

T24：與 T22 的化學成分相比較，增加了V、Ti、B，減少了含碳量，焊接性能良好。 T23、T24 鋼金相組織為貝氏體和馬氏體。 如果冷卻速度極端緩慢得到鐵素體和珠光體，力學性能會變壞。 在超臨界和超超臨界壓力鍋爐中，水冷壁的壁溫有時候會達到550℃。 碳素鋼不能滿足需要，T23、T24 成為水冷壁的最佳選材。

T91：是改良的9Cr-1Mo 型高強度馬氏體耐熱鋼，是一種綜合性能優異的 9%Cr 鋼，該鋼通過降低含碳量，添加合金元素V 和Nb，控制N 和Al 的含量，使鋼具有高的沖擊韌性、熱強性和抗腐蝕性。此外，該鋼的線膨脹系數小，導熱性好。主要用于亞臨界參數、超臨界參數鍋爐中壁溫不大于600℃的集箱及蒸汽管道，同時也是代替T22、P22 的理想材料，是改造現役機組高溫部件的理想替換材料。

T92：是在T91 的基礎上通過減少Mo、增加W 的含量，并控制B的含量得到的新型9%Cr 的馬氏體耐熱鋼， 力學性能與T91 相當，焊接性能有所改善。600～650℃的蠕變強度有很大提高。許用應力比T91高34%，強度是TP347H 的1.12 倍。有望在大型鍋爐再熱器、過熱器高溫段代替TP304H、TP347H 鋼。

T122：是一種12%Cr 的馬氏體耐熱鋼，添加2%的W、0.07%Nb 和1%的Cu，該鋼具有更高的熱強性和耐腐蝕性，含碳量的降低，焊接性能也進一步得到改善，主要用于制造620℃以下的主蒸汽管道。

E911：也是一種9%Cr 的馬氏體耐熱鋼，是在T91 基礎上以1.0%的W 取代部分Mo，利用W、Mo 復合固溶強化，同時B 能夠起到填充晶間空位，強化晶界的作用，并且B 還能形成碳硼化合物，穩定碳化物沉淀強化效果， 從而提高了鋼的熱強性。 E911 鋼中的含W 量低于T92，故E911 鋼的工藝性比T92 更好。

3.2 新型細晶粒奧氏體耐熱鋼

奧氏體鋼晶粒細化可以明顯提高其許用應力。

SUPER304H：是TP304H 的改進型，添加了3%的Cu、0.4%的Nb，由于細晶粒結構和細銅相的沉淀強化作用， 獲得了極高的蠕變強度，在600～650℃許用應力比TP304H 高30%， 在高溫下具有優良的機械性能、抗蒸汽氧化和耐熱腐蝕性能，可以在650℃以下長期運行。 是超（超）臨界鍋爐過熱器、再熱器的首選材料。

TP347HFG： 是TP347H 型不銹鋼通過特定的熱加工和熱處理工藝，使晶粒細化到8 級以上，經細化晶粒后許用應力提高了20%以上。也大大提高了材料抗蒸汽氧化的能力。

3.3 高鉻鎳奧氏體鋼

HR3C 鋼 (25Cr-20Ni-Nb-N 鋼)： 是日本研制出的一種新型不銹鋼。通過限制C 含量，并添加0.20%～0.60%的Nb，0.15%～0.35%的N，利用彌散析出的強化相，材料具有優良的高溫強度和抗高溫蒸汽氧化性能，是650℃超(超)臨界電站鍋爐中末級過熱器和再熱器的主要耐熱鋼管材之一。

NF709（20Cr-25Ni-Mo-Nb-Ti-N-B）：是在常規奧氏體不銹鋼基礎上，嚴格控制雜質，對成分做了進一步完善研制而成的，專用于超臨界機組鍋爐的新型奧氏體不銹鋼。 在該鋼中，Ni 含量達25%左右、Cr含量20%左右，有很高的持久強度及優良的抗氧化性和耐蝕性；焊接性能與常規的18-8 不銹鋼相當。

4 結論

我國的一些新建大型機組已經開始使用以上幾類新材料，主要用于制造超（超）臨界壓力參數的大型發電鍋爐或循環流化床鍋爐的高溫過熱器、高溫再熱器、屏式過熱器的高溫段以及各種耐高溫、高壓或腐蝕的管件等。 其安全性和優缺點還需要經過多年的長期運行來檢驗。 另外，我國在高溫新材料的研發上還相對落后，因此，了解目前國際上高溫材料的應用及發展方向，可以借鑒國外的成功經驗，盡快開發出適合我國資源的優質耐熱鋼。

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