安防之家讯：加强金属焊接监督研究
确保超超临界机组安全运行
杨 富
（中国电力企业联合会，北京，100761）
据不完全统计我国目前已运行、在建和规划建设的超超临界（USC）机组有100多台，其容量为600MW和1000MW两个级别，蒸汽参数为：汽机主汽入口设计压力为25~26.5MPa，主蒸汽/再热蒸汽温度为600/600℃，我国首台USC机组已于2006年11月28号在玉环电厂投入运行，其余USC机组将陆续投入运行。为了确保未来USC机组的安全运行，应尽早对USC的关键技术——新型耐热钢（T92/P92、T122/P122、Super304H和HR3C）运行过程中的变化规律及损伤后的修复技术开展研究。
关键词：超超临界机组技术监督安全运行关键技术新型耐热钢
根据党的十六大确定的全面建设小康社会的经济发展目标，我国经济正在稳定快速的发展，人民生活水平在不断的提高，对电能的需求不断增加，预计到2020年全国装机容量将达到13亿千瓦，其中火电装机容量仍然占70％以上，发展超超临界（USC）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选择、制造和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。
1．新型耐热钢在国内外超超临界机组中的应用概况
新型耐热钢在日本USC机组中的应用概况如表1、表2所示。新型耐热钢在欧洲USC机组中的应用概况如表3所示。
新型耐热钢在我国USC机组中的应用概况：目前我国正在建造的600MW和1000MW级超超临界（压力P＝25~26.5MPa，温度t＝600/600℃）机组数台，根据有关资料介绍，拟采用的新型耐热钢方案有多种，现归纳整理出三方案如表4所示，仅供参考。
表1：主蒸汽管道选用HCM12A（P122）的日本超超临界机组
电厂锅炉制
造厂容量
MW汽机参数主蒸汽管过热器管
(不锈钢)投入运
行时间
压力/温度
MPa/℃/℃
橘湾
Tachibanawan2日立BHK105025/600/610HCM12ASUPER304H2001.07
舞鹤
Maizun190024.5/595/595HCM12AHR3C
SUPER304H2004.08
常陆那珂
Hitachinaka1日立100024.5/600/600HCM12ASUPER304H2003.12
矶子Isogo
（新#1）60025.5/600/610HCM12ASUPER304H2002.04
敦贺2号TSURUGA2#70024.1/593/593HCM12AHR3C、
Super304H2000.10
芩北2号REIHOKU2#70024.1/593/593HCM12AHR3C、
Super304H2003.07
広野5号
HIRONO5#70024.5/600/600HCM12AHR3C、
Super304H2004.07
苫东厚真4号70025/600/600HCM12ASUPER304H2002.06
表2：日本超临界机组使用NF616（P92）的情况
No.出厂年代数量制造商火力发电站锅炉功率蒸汽条件
11996年小口径管13吨石川岛播磨重工业新日铁/东海7号147MW566℃/538℃/16.6MPa
21997年小口径管147吨石川岛播磨重工业电源开发/橘湾1号1050MW600℃/610℃/25MPa
31998年大口径管*60吨巴布科克日立电源开发/橘湾2号1050MW600℃/610℃/25MPa
合计220吨
*：尺寸Φ500×70t，Φ596.9×97t，Φ635×106t
表3：P92钢在欧洲电站项目应用实例
国家项目名称管道尺寸（mm）
内径×壁厚部件主蒸汽温度（℃）主蒸汽压力（bar）安装时间
丹麦VESTRAFT
3#机组240×39直管主蒸汽5602501996年
丹麦NORDJYLLANDSET160×45集箱5822901996年
德国KIEL/GKWESTFALEN480×28
159×27集箱
循环蒸汽545
65053
1801997年
1998年
丹麦AVEDORE2/
ELKRAFT400×25
490×30主蒸汽管道580（主蒸汽）
600（再热蒸汽）3001999-
2001年
表4新型耐热钢在我国1000MW级超超临界机组中的应用方案
部件方案一方案二方案三
水冷壁管圈类型螺旋垂直垂直垂直
管型内螺纹光管内螺/光管内螺/光管
材料T2T12、T2T12T12、T23
过热器低温T12、T22T12、T22、TP347H包覆T12、T1a
屏式HR3C、Super304HT22、T91、Super304H、HR3C后屏T91、HR3C
末级HR3C、Super304HT91、Super304H、HR3C分隔屏T12、T91
末级T91、Super304H、HR3C
再热器低温T2、T1a
高温HR3C、Super304H
低再水平段T22、T12、T1、SA210A1SA210C、T12、T91
低再垂直段TP347HT91
末级T91、Super304HHR3C、TP347H
主蒸汽管道P92P92、P122P92
再热热段P91P91P91
再热冷段A672B70CL32A691Cr1-1/4CL22A672B70CL32
高压给水管道WB36WB36WB36
从以上的资料对比中可以看出，日本USC机组主蒸汽管道材料选用日本住友生产的P122钢管，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。但是我国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。因此，我国USC机组运行后，必须加强金属焊接监督研究。
2．超超临界机组安全运行的关键技术――金属焊接监督研究
应该指出，自1996年以来，P92钢制的结构虽然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，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对蠕变断裂强度和塑性韧性的影响。
2.1对按照原ASME规范提供的数据设计的1000MWUSC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90~100MPa，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钢目前的试验还未达到105h，ASME规范中现在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1000MWUSC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，欧洲蠕变委员会（ECCC）推算结果P92钢在600℃、105h的蠕变断裂强度仅为113MPa，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1000MWUSC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要加强金属监督的研究。
2.2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
2.2.1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。
2.2.2目前我国USC锅炉高温过热器选材为Super304H和HR3C
Super304H是在传统的18-8奥氏体不锈钢（TP304H）中加3％Cu和0.5％Nb。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℃的许用应力值略低于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。
2.3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
2.3.1T92/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。
2.3.2Super304H、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。
2.4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。
2.5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
2.6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、T122/P122、Super304H和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、Ⅳ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，由于焊接环境极差，应力状态复杂，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。
3.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，为确保USC机组安全、可靠和经济运行，业主、设计、制造、安装、科研和运营建设单位应通力合作，尽早对USC机组安全运行的关键技术开展研究工作。从长期工作来看，我们将特别关注和研究金属材料在超超临界工况下的持久性能。例如专门设立科研项目，长期跟踪研究高温高压管道的持久强度变化，研究锅炉部件高温强度的变化和热疲劳性能，跟踪监督高温腐蚀情况和蒸汽侧氧化情况。
作者简介：
杨富（1940～），男，清华大学焊接专业毕业，教授级高级工程师，国际焊接工程师，电力行业锅监委顾问，国家电监会电力安全专家委员会材料专家，中国焊接学会第六届理事会常务理事，中国电机工程学会第七届理事会理事。长期从事火力发电厂锅炉监察、焊接施工、科研和技术管理工作。发表论文数十篇。
StrengtheningtheStudyonSupervisingofmetalMaterialtoGuaranteeSafelyRunningofUltra-supercriticalPowerUnit
Yangfu1zhangzhongwen2wujun2
(1.ChinaElectricityCouncil,Beijing1007612.ShandongElectricResearchInsititute,Jinan250002)
Abstract:basedonpartialstatistics,theaccountofultra-supercritical(USC)powerunitconstructingandschemingisnearto50alloverourcountry.Theseunitscovertwolevelsof600MWand1000MWwiththemainsteaminletpressureof25~26.5MPaandthetemperatureofmainsteam&reheatingsteamof600℃/600℃.Itisestimatedthattheseunitsisgoingtostarttorunin2007.InordertoguaranteesafelyrunningofUSCpowerunits,itisurgenttoresearchthekeytechnologyofUSCpowerunit,whichconcernsthatduringthecourseofrunningtheevolutionofmicrostructureandmechanicalpropertyofnewheat-resistantsteelsofT92/P92,T122/P122,Super304HandHR3C,aswellastherepairingtechnologyofnewheat-resistantsteelswhiLEDamaged.
Keywords:ultra-supercriticalpowerunit,metalmaterialsupervising,safelyrunning,keytechnology,newheat-resistantsteel
参考文献：
1杨富等编著，新型耐热钢焊接．中国电力出版社，2006．7
2SUMITOMOBOILERTUBES&PIPE，SUMITOMOmetalInd．,Ltd2004．8
3高强度铁素体钢管NF616（ASMEP92），新日本制铁株式会社，2004．11
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，2004．10安防之家专注于各种家居的安防,监控,防盗,安防监控,安防器材,安防设备的新闻资讯和O2O电商导购服务，敬请登陆安防之家：http://anfang.jc68.com/
