600MW超临界锅炉焊接技术

HEPTRIP12020年6月17日长沙超(超）临界机组锅炉焊接技术湖南省电力试验研究院HEPTRIP22020年6月17日长沙•什么是焊接？焊接是利用两个物体原子间产生的结合作用连接成一体，连接后不能再拆卸的连接方法。焊接技术的发展：中国古代1885年年俄国人别那尔道斯发明碳弧焊开始20世纪30年代，气焊和手工电弧焊40年代初出现了优质焊条，使焊接技术得到了一次飞跃。随后电阻焊和埋弧焊的应用，使焊接过程实现了机械化和自动化。50～60年代，不断出现电渣焊、各种气体保护焊、超声波焊、等离子弧焊、电子束焊和激光焊接等方法，使焊接技术达到了一个新的水平。80年代还进行太空焊接试验。HEPTRIP32020年6月17日长沙可焊性：可焊性是指金属在采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，实现优质焊接接头的难易程度。1)工艺可焊性碳当量公式：0.4，0.6冷裂缝敏感系数PC式中：h--板厚(mm);H--焊缝金属中扩散氢的含量(ml/100g)试验：拘束试验、刚性试验等2)使用可焊性HEPTRIP42020年6月17日长沙•常用焊接方法间接•手工电弧焊简称为手弧焊。它是利用焊条与工件之间产生的电弧热来熔化被焊金属的一种手工操作的焊接方法。•埋弧自动焊：又称为焊剂层下自动电弧焊。是目前生产效率较高的机械化焊接方法之一。•氩弧焊氩弧焊是以氩气为保护介质的一种电弧焊。氩气是一种惰性气体，它既不与金属起化学反应使被焊金属氧化或合金元素烧损，也不熔解于滚体金属中产生气孔，因此氩气的保护十分可靠，焊缝质量高。非熔化极熔化极•二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊是以CO2气体作为保护介质的电弧焊方法。焊接装置与熔化极氩弧焊相似，以连续送进的金属焊丝为电极，采用自动或半自动方式进行焊接。HEPTRIP52020年6月17日长沙•电渣焊：利用电流通过液态熔渣时产生的电阻热作为热源来熔化电极和焊件实现焊接的一种熔焊方法。在焊工件的两个端面之间保持一定的间隙，在间隙两侧有两个中间通水冷却的成形铜块紧贴于钢板，使被焊处构成一个方柱形空腔，在这个空腔内由一定导电性液态熔渣构成渣池。焊接时，焊丝送到渣池中，焊丝和工件之间的电流通过渣池产生很大的电阻丝，渣池温度达1700～2000℃，高温的渣池将热量供给工件和焊丝，使工件边缘和送入的焊丝熔化，液态金属的比重较熔渣大，便沉集于渣池底部，形成熔池。随着焊丝和工件边缘不断熔化，熔池和渣池不断上升，当金属溶池达到一定深度后，熔池底部逐步冷却凝固成焊缝。因此，实现了两个焊件的连接。•电阻焊电阻焊是利用电流通过工件接触处所产生的电阻热进行焊接，并在压力下形成焊接接头的方法。根据焊接接头的型式可分为点焊、对焊和缝焊三种形式。•摩擦焊•钎焊HEPTRIP62020年6月17日长沙背景•随着我国电力工业的进一步发展,大容量、高参数超临界参数火电机组逐渐开始投入商业运营。我国首台国产超临界600MW机组已于2004年9月30日并网发电，首台国产超超临界1000MW机组正在建造，这一切标志着我国电力工业发展跨上一个新台阶。•从目前世界火力发电技术水平看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽参数，即提高蒸汽的压力和温度。发展超临界和超超临界火电机组，提高蒸汽参数对于提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。下表给出了蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系。•蒸汽温度和压力的提高，使得供电煤耗大幅度下降，电厂效率在大幅度提高，为达到提高参数的要求，关键在于金属材料能否耐高温、高压。HEPTRIP72020年6月17日长沙机组参数与热效率序号机组类型蒸汽压力蒸汽温度电厂效率供电煤耗(注)l中压机组3.5MPa435℃27%460g/kWh2高压机组9.OMPa510℃33%390g/kWh3超高压机组13.OMPa535℃/535℃35%360g/kWh4亚临界机组17.0MPa540℃/540℃38%324g/kWh5超临界机组25.5MPa567℃/567℃41%300g/kWh6高温超临界机组25.OMPa600℃/600℃44%278g/kWh7超超临界机组30.0MPa600℃/600℃/600℃48%256g/kWh8高温超超临界机组30.0MPa700℃57%215g/kWh9超700℃机组超700℃60%205g/kWh注：发电煤耗用标煤量统计，标煤量是一个统计折算标准，1kg标煤的发热量为7000大卡HEPTRIP82020年6月17日长沙超（超）临界机组锅炉的用钢特点•1）水冷壁•水冷壁用钢一般应具有一定的室温和高温强度，良好的抗疲劳、抗烟气腐蚀、耐磨损性能，并要有好的工艺性能，尤其是焊接性能。通常SC、USC锅炉都采用膜式水冷壁。由于膜式水冷壁组件尺寸及结构的特点，其焊后不可能在炉内进行热处理，故所选用钢材的焊接性至关重要。要在焊前不预热、焊后不热处理的条件下，满足焊后热影响区硬度不大于360HV10、焊缝硬度不大于400HV10的有关规定（TRD201德国蒸汽锅炉技术规范-TRD进行锅炉压力容器及其附件制造厂认证即TRD201认证)，以保证使用的安全性。另外，水冷壁管内介质是液汽两相，管外壁又在炉膛燃烧时煤粉颗粒运动速度最快的区域，积垢导致的管壁温升高和燃烧颗粒冲刷都是选用钢材要考虑的问题。由此可见，水冷壁用钢的开发也是发展SC、USC锅炉的技术关键之一。HEPTRIP92020年6月17日长沙超（超）临界机组锅炉的用钢特点•随着SC、USC锅炉蒸汽压力、温度的升高，水冷壁温度也会提高，例如在31MPa/620℃的蒸汽参数下，出口端的汽水温度达475℃，投运初期中墙温度为497℃，垢层增厚可升至513℃，热负荷最高区域的管子壁温可达520℃，瞬间最高可达540℃。这就需要合金含量更高，热强性更好的钢材。为了满足这种高参数锅炉水冷壁用钢的要求，在SA213-T22钢的基础上，开发了两种新钢材T23(HCM2S）和T24(7CrMoVTiB10-10)，二者都具有良好的焊接性，在焊前不预热焊后不热处理的条件下(壁厚≤8mm)，焊后焊缝和热影响区的硬度均低于360HV10。许用金属壁温可达600℃，是蒸汽温度620℃以下锅炉水冷壁的最佳用钢HEPTRIP102020年6月17日长沙超（超）临界机组锅炉的用钢特点•2)过热器、再热器•过热器、再热器在高参数锅炉中所处的环境条件最恶劣，所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀性能、管子内壁抗蒸汽氧化性能，并具有良好的冷热加工工艺性能和焊接性能HEPTRIP112020年6月17日长沙超（超）临界机组锅炉的用钢特点•在燃煤含硫量很低、烟气腐蚀性很小的条件下，从蠕变强度角度考虑，SC、USC锅炉过热器、再热器，当壁温≤600℃时，可选用T9l钢；当壁温≤620℃时，可选用T92、T122、E9ll钢；当壁温≤650℃时，可选用NF12、SAVE12钢。•当燃用含硫量高腐蚀性大的燃煤时，当壁温≥600℃时（蒸汽温度≥566℃），过热器、再热器应选择TP304H、TP32lH、TP316H、TP347H奥氏体耐热钢。而Super304H和TP347HFG两种细晶奥氏体耐热钢蠕变强度高，抗烟气腐蚀和抗蒸汽氧化性能更好，在超超临界锅炉过热器、再热器用钢中得到广泛的应用。当壁温达700℃时，过热器、再热器只能选用高铬耐热钢NF709、SAVE25和HR3C等。•目前，我省湘潭发电有限责任公司超临界锅炉屏式过热器、高温过热器、高温再热器炉内管屏使用的钢材就是TP347H奥氏体耐热钢。HEPTRIP122020年6月17日长沙超（超）临界机组锅炉的用钢特点•3)联箱与管道•由于联箱（末级过热器、末级再热器出口联箱）与管道（主蒸汽管道、导汽和再热蒸汽管道）布置在炉外，没有烟气加热及腐蚀问题，管壁温度与蒸汽温度相近。这就要求钢材应具有足够高的持久强度、蠕变强度、抗疲劳和抗蒸汽氧化性能，还要具有良好的加工工艺和焊接性能。HEPTRIP132020年6月17日长沙超（超）临界机组锅炉的用钢特点•由于铁素体耐热钢的热膨胀系数小、导热率高，在较高的启停速率下，不会造成联箱、管道厚壁部件严重的热疲劳损坏，所以铁素体耐热钢是联箱、管道的首选钢材。•随着SC、USC锅炉蒸汽温度和压力参数的提高，要求使用热强性高的钢材，这样既可以提高联箱和管道运行的安全性，又可以减少因管壁过厚引起热应力的增加以及给加工工艺带来的困难。所以，SC、USC锅炉的联箱和管道，当壁温≤600℃时，选用P91钢；当壁温≤620℃时，选用P92、P122和E9ll钢；当壁温≤650℃时，选用NF12和SAVE12钢。HEPTRIP142020年6月17日长沙超（超）临界机组锅炉用钢种类•新型铁素体耐热钢及其特点•铁素体耐热钢的发展可以分为两条主线，一是纵向的主要耐热合金元素Cr成分逐渐提高，从2.25Cr到12Cr；一是横向的通过填加V、Nb、Mo、W、Co等合金元素，600℃105h的蠕变断裂强度由35MPa级向60MPa级、100MPa级、140MPa级、180MPa级发展。•另外一条思路就是选用耐温等级更高的奥氏体不锈钢。HEPTRIP152020年6月17日长沙随着超（超）临界火电机组锅炉蒸汽参数的提高，所用钢材逐渐变化，级别逐步提高，仅以高温受热面管、蒸汽管为例：含Cr≤3％的低合金耐热钢含9%～12%Cr的铁素体（含珠光体、贝氏体、马氏体）耐热钢含18%～25％Cr的奥氏体耐热钢铁素体耐热钢的发展HEPTRIP162020年6月17日长沙铁素体钢发展的两条主线:纵向的主要耐热合金元素Cr成分逐渐提高，从2.25Cr到12Cr；横向的通过填加V、Nb、Mo、Ｗ、Ｃo等合金元素，600℃、10５小时的蠕变断裂强度，由35Mpa级向60MPa级、100MPa级、140MPa级、180MPa级发展。HEPTRIP172020年6月17日长沙15Mo≤530℃12CrMo≤540℃15CrMo≤540℃12Cr1MoV≤580℃15Cr1Mo1V≤580℃10CrMo910≤580℃传统的铁素体耐热钢及最高使用壁温为：HEPTRIP182020年6月17日长沙超（超）临界火力发电机组用钢及焊接技术论坛美国能源部委托橡树岭国家试验室（ORNL）与燃烧工程公司（CE）联合研究用于快速中子增殖反应堆计划的钢材，开始改进原有的9Cr1Mo钢，以研究开发一种新的9Cr-1Mo钢，要求这种新钢种综合了早期9Cr和12Cr钢的性能，并具有良好的焊接性。典型的新型铁素体热强钢T91/P91钢HEPTRIP192020年6月17日长沙到1980年,测试了超过一百种成分的试验样品，最后确定为改良型9Cr-1Mo钢，即T/P91钢，经试验该钢在593℃／10万小时条件下的蠕变断裂强度达到100MPa，韧性也较好，从技术和经济角度分析，这种钢与EMl2比，Mo含量减少一半，Nb、V也低。(ASME)HEPTRIP202020年6月17日长沙1982年橡树岭国家试验室进行了对比试验，发现这种改进的9Cr-1Mo钢优于EM12和F12。1983年美国ASME认可了这种钢为T91、P91，即SA213-T91、SA335-P91。1987年法国瓦鲁瑞克公司针对T91与Fl2和EM12的比较评估研究发表技术报告认为T91、P91有明显优点，强调要从EM12转为使用T91、P91。80年代末，德国也从F12转向T91、P91。T91钢可用于壁温≤600℃的过热器、再热器管，P91钢可用于壁温≤600℃的联箱和蒸汽管道。HEPTRIP212020年6月17日长沙蠕变强度偏离预测值下降的问题。这种发现，对于高Cr铁素体耐热钢的发展前景，从理论上和应用上都提出了新课题，促进了概念更新并向更先进耐热钢的发展，同时也限定了T/P91钢的使用温度极限为593℃。自美国20世纪80年代开发应用T/P91钢以来，T/P91钢在全世界得到广泛应用。1996年日本金材所报道了该钢长时间蠕变后（600℃、650℃，36Mpa，1