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1、超临界机组材料重点本讲稿第一页，共三十八页材料材料566 新型不锈钢新型不锈钢580 P91600610 P92、P911620 P122630-650 NF12 SAVE122023/1/282023/1/28本讲稿第二页，共三十八页水冷壁水冷壁焊接性能焊接性能不需要焊后热处理不需要焊后热处理,有很好的高温强度有很好的高温强度蠕变强度蠕变强度压力压力/温度提高温度提高抗腐蚀性能抗腐蚀性能煤中硫的腐蚀煤中硫的腐蚀13CrMo44焊接性能符合要求，强度稍低焊接性能符合要求，强度稍低T 23（HCM2S)T 24（7CrMoVTiB10 10）HCM12 强度最高、加工难度大。强度最高、加工难度大
2、。2023/1/282023/1/28本讲稿第三页，共三十八页联箱与管道联箱与管道热疲劳性能尽可能选用铁素体钢热疲劳性能尽可能选用铁素体钢低线涨系数低线涨系数/高温蠕变强度高温蠕变强度/抗蒸汽氧化能力抗蒸汽氧化能力P91P91：国产化：国产化P92P92：600600许用应力比许用应力比T91T91高高3434，用作，用作620620以下锅炉厚壁部件以下锅炉厚壁部件E911E911：欧洲新钢种，高温强度略低于：欧洲新钢种，高温强度略低于P92P92，不易，不易发生脆变发生脆变P122P122：600-650600-650蠕变性能与蠕变性能与T/P92T/P92接近，抗蒸接近，抗蒸汽氧化和烟气腐
3、蚀优于汽氧化和烟气腐蚀优于T/P92T/P92，适合，适合620620以下以下的厚壁部件的厚壁部件 2023/1/282023/1/28本讲稿第四页，共三十八页末级过热器、再热器末级过热器、再热器TP347HFGTP347HFG：将将TP347HTP347H晶粒细化，提高了抗蒸汽晶粒细化，提高了抗蒸汽氧化能力及蠕变强度。氧化能力及蠕变强度。Super 304Super 304：600-650600-650的许用应力比的许用应力比TP347HTP347H高高30%30%HR3C 25Cr20NiNbNHR3C 25Cr20NiNbN（TP310NbNTP310NbN）：抗烟气腐蚀）：抗烟气腐蚀和
4、蒸汽氧化性能好和蒸汽氧化性能好2023/1/282023/1/28本讲稿第五页，共三十八页高中压转子高中压转子 采用采用COST 501ECOST 501E（10Cr1MoWVNbV10Cr1MoWVNbV）、）、501F 501F （10Cr1MoVNbN10Cr1MoVNbN），最高蒸汽温度），最高蒸汽温度610610 12Cr-MoVNbN12Cr-MoVNbN系列（系列（TMK1TMK1、TOS101TOS101）用于）用于593593改良改良12Cr12Cr是在是在12Cr12Cr基础上添加基础上添加W W即即12Cr-12Cr-MoVNbWNMoVNbWN系列（包括系列（包括 TR
5、1150(TMK2)TR1150(TMK2)和和TR1200TR1200）用于）用于620620新新12Cr12Cr即即12Cr-MoVNbWCoB12Cr-MoVNbWCoB系列（包括系列（包括HR1200HR1200、TOS110TOS110等）用于等）用于630-650630-6502023/1/282023/1/28本讲稿第六页，共三十八页高中压汽缸与阀体高中压汽缸与阀体采用采用G-X12CrMoWVNbN 1011G-X12CrMoWVNbN 1011和和G-G-X12CrMoWVNbN91X12CrMoWVNbN91，可在，可在600600应用应用 TF1TF1、9.5Cr1MoV
6、NbN9.5Cr1MoVNbN（TOS 301TOS 301）更高温度使用更高温度使用9.5Cr0.5Mo2WVNbN9.5Cr0.5Mo2WVNbN（TOS 302TOS 302）9.5Cr0.5Mo2WVNbNB3.0Co9.5Cr0.5Mo2WVNbNB3.0Co（TOS 303TOS 303）2023/1/282023/1/28本讲稿第七页，共三十八页高温动叶高温动叶新新新新12Cr12Cr12Cr12Cr钢钢钢钢 改良改良改良改良12Cr12Cr12Cr12Cr钢钢钢钢 12CrMoVNbN12CrMoVNbN12CrMoVNbN12CrMoVNbN钢钢钢钢 11CrWVNbNReC
7、o 11CrWVNbNReCo 11CrWVNbNReCo 11CrWVNbNReCo M-252 M-252 M-252 M-252 R26 R26 R26 R26 Nimonic 90 Nimonic 90 Nimonic 90 Nimonic 90 Inconel 718 Inconel 718 Inconel 718 Inconel 718 2023/1/282023/1/28本讲稿第八页，共三十八页不同钢种最小壁厚的比较不同钢种最小壁厚的比较不同钢种最小壁厚的比较不同钢种最小壁厚的比较593.3 C320 barX2012CrMoVNbt=75mmP222Cr1Mot=123mmt=
8、21.5mmNF12P919Cr1MoNbV200mm Dia.t=45mmP92(NF616)t=34mmt=36mmP122HCM12A2023/1/282023/1/28本讲稿第九页，共三十八页2023/1/282023/1/28本讲稿第十页，共三十八页2023/1/282023/1/28本讲稿第十一页，共三十八页2023/1/282023/1/28本讲稿第十二页，共三十八页2023/1/282023/1/28本讲稿第十三页，共三十八页 材料高温蠕变强度2023/1/282023/1/28本讲稿第十四页，共三十八页2023/1/282023/1/28本讲稿第十五页，共三十八页 w(1)需
9、要耐高温、抗蠕变、高强度金属材料需要耐高温、抗蠕变、高强度金属材料,高蒸汽参数高蒸汽参数部件采用部件采用9%Cr、12%Cr新材料。蒸汽温度为新材料。蒸汽温度为580600时，采用新钢材。时，采用新钢材。w(2)化学水处理：高参数工质的热力动力特性使水管化学水处理：高参数工质的热力动力特性使水管内部氧化层增厚速度加快，管道温度升高，压降增内部氧化层增厚速度加快，管道温度升高，压降增大。采用氧化处理调整给水含氧量；加强给水质量大。采用氧化处理调整给水含氧量；加强给水质量监督；凝结水必须精处理。监督；凝结水必须精处理。w(3)锅炉水冷壁的变压运行技术。成熟的技术是螺旋管，锅炉水冷壁的变压运行技术。
10、成熟的技术是螺旋管，日本有日本有8台采用内螺纹管垂直管屏的锅炉投入运行台采用内螺纹管垂直管屏的锅炉投入运行。u4.1 超临界机组的关键技术超临界机组的关键技术 本讲稿第十六页，共三十八页 4.2 汽轮机中压主要部件材料（ABB）bar/180/540/540 240/600/599 300/600/600外缸外缸 2.25%CrMo 2.25%CrMo 1%CrMoV 内缸内缸 1%CrMo 1%CrMo 9%CrMoVNbN转子转子 1%CrMoV 10%CrMoVNbN10%CrMoVNbN内螺栓内螺栓 11%CrMoVNbN 11%CrMoVNbN11%CrMoVNbN热屏蔽热屏蔽 9%
11、CrMoVNbN 主汽阀主汽阀 1%CrMoV 9%CrMoVNbN9%CrMoVNbN环形管环形管 2.25%CrMo 9%CrMoVNbN9%CrMoVNbN 本讲稿第十七页，共三十八页 4.3 汽轮机高压主要部件材料（ABB）bar/180/540/540 240/600/599 300/600/600外缸外缸 2.25%CrMo 2.25%CrMo 2.25%CrMo 内缸内缸 1%CrMo 1%CrMoV 10%CrMoVNbN转子转子 1%CrMoV 1%CrMoV 10%CrMoVNbN内螺栓内螺栓 11%CrMoVNbN 11%CrMoVNbN Nimonic80A喷嘴套喷嘴套
12、 1%CrMoV 11%CrMoVNbN 11%CrMoVNbN主汽阀主汽阀 1%CrMoV 9%CrMoVNbN9%CrMoVNbN环形管环形管 2.25%CrMo 9%CrMoVNbN9%CrMoVNbN注：注：Nimonic80A为镍基合金为镍基合金 本讲稿第十八页，共三十八页 4.4 锅炉主要部件材料锅炉主要部件材料(史密斯穆勒公司史密斯穆勒公司)蒸汽参数蒸汽参数 250/540/58/540 290/582/80/580/23/580 305/582/74/600水冷壁水冷壁 13CrMo44 13CrMo44 13CrMo44 过热器过热器 X20CrMoV121 P91 P92一
13、次再热器一次再热器X20CrMoV121 P91 P92二次再热器二次再热器 P91主蒸汽管主蒸汽管X20CrMoV121 TPFG347H TPFG347H一次再热管一次再热管X20CrMoV121 TPFG347H TPFG347H二次再热管二次再热管 TPFG347H本讲稿第十九页，共三十八页4.5 600MW锅炉金属材料锅炉金属材料受热面受热面管子材料管子材料允许温度允许温度 螺旋管圈水冷壁螺旋管圈水冷壁垂直管屏水冷壁垂直管屏水冷壁屏式过热器屏式过热器高温过热器高温过热器高温再热器高温再热器低温再热器低温再热器省煤器省煤器1313CrMo44CrMo44（1515CrMoCrMo）15
14、15Mo3Mo3（1616MoMo）1010CrMo910CrMo910（1212Cr2MoCr2Mo）X20CrMoV121X20CrMoV121X20CrMoV121X20CrMoV121 X8CrNiNb16B(1Cr19Ni11Nb)X8CrNiNb16B(1Cr19Ni11Nb)1010CrMo910CrMo9101515NiCuMoNb5NiCuMoNb5560560530530580580630-650630-650630-650630-650650650580580500500本讲稿第二十页，共三十八页4.6 800MW锅炉金属材料锅炉金属材料本讲稿第二十一页，共三十八页 4.
15、7 采用新材料的考虑采用新材料的考虑(橘湾橘湾10501050MWMW机组机组)由由IHIIHI公司为公司为橘湾电站橘湾电站提供的提供的1 1号机组蒸汽参数为号机组蒸汽参数为25.88MPa/605/4.61MPa/613，该机组采用了大量高强度、该机组采用了大量高强度、耐高温、抗蠕变、抗氧化、耐腐蚀性能强的新材料，降低了耐高温、抗蠕变、抗氧化、耐腐蚀性能强的新材料，降低了汽水汽水分离器、过热器、再热器等管材的壁厚，减小了热应力，分离器、过热器、再热器等管材的壁厚，减小了热应力，提高了锅炉对负荷变化的跟踪性能。提高了锅炉对负荷变化的跟踪性能。汽水分离器汽水分离器采用采用SBV62(SBV2mo
16、d)。过热器、再热器采过热器、再热器采用用18Cr10NiTiNb、18Cr9Ni3CuNbN。温度超过温度超过600时，若采用奥氏体不锈钢时，若采用奥氏体不锈钢TP347，壁厚，壁厚将超过将超过11mm；若采用；若采用25Cr20NiNbN或20Cr25NbNTiB，可可使壁厚减少到使壁厚减少到8.4mm。本讲稿第二十二页，共三十八页2023/1/282023/1/28本讲稿第二十三页，共三十八页每吨管子的成本每吨管子的成本1,000英镑英镑k0.55k0.9k1.9k2.5k5.5k30.k50.0102030405060C Mn C Mn SteelSteelT22 T22 2Cr 1M
17、o 2Cr 1MoHCM2SHCM2SP91P91316316In 625In 625In 617In 617铁素体铁素体铁素体铁素体奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体镍基合金镍基合金镍基合金镍基合金2023/1/282023/1/28本讲稿第二十四页，共三十八页 4.8 超临界机组金属材料主要决定于参数超临界机组金属材料主要决定于参数u由亚临界参数提高到超临界参数，当蒸汽温由亚临界参数提高到超临界参数，当蒸汽温度限制在度限制在545以下时，受影响的部件主要是锅以下时，受影响的部件主要是锅炉的水冷壁，汽轮机与亚临界参数机组基本相同；炉的水冷壁，汽轮机与亚临界参数机组基本相同；u当蒸汽温度提高到当蒸汽温度
18、提高到580，主蒸汽压力提高到，主蒸汽压力提高到28MPa以上时，锅炉水冷壁、过热器、再热器、以上时，锅炉水冷壁、过热器、再热器、联箱、蒸汽管道、汽轮机高压缸和第一、二级联箱、蒸汽管道、汽轮机高压缸和第一、二级叶片、喷嘴、主汽门等必须采用新金属材料。叶片、喷嘴、主汽门等必须采用新金属材料。本讲稿第二十五页，共三十八页4.9 材料与蒸汽参数及热效率的关系材料与蒸汽参数及热效率的关系 25.0MPa 27.0 30.0 31.5 35.0 540/585 585/600 600/620 620/620 700/720本讲稿第二十六页，共三十八页4.10 耐高温铁素体钢适用范围耐高温铁素体钢适用范围
19、565uX12CrMo91(T9)美美 uX20CrMoV121(F12)德德 (转子、汽缸、叶片、螺栓转子、汽缸、叶片、螺栓)u X16CrMoVNbN92(H46)英英 (转子、汽缸、叶片、螺栓转子、汽缸、叶片、螺栓)uX10CrMoVNbN92(EM12)法法uX22CrMoWV121(AISI422)美美uX13CrMoVNbN101(FV488)英英 (叶片、螺栓叶片、螺栓)uX19CrMoVNbN111(56T5)法法 (叶片、螺栓叶片、螺栓)u11CrMoVNbN(GE)美美 (转子转子)u12CrMoWVNbB(TAF)日本日本 (叶片、螺栓叶片、螺栓)本讲稿第二十七页，共三十
20、八页4.11 新开发的耐高温铁素体钢适用范围新开发的耐高温铁素体钢适用范围600u9CrMoWNbV(NF616)日日u11CrMoWCuNbVB(NF12)日日u11CrWCuNiMoNbV(HCM12A)日日.欧欧u10MoWCuMoVNbTa(SAVE12)日日uX10CrMoVNb91(T91)美美uX18CrMoVNbB91欧洲欧洲uX12CrMoWVNbN1011欧洲欧洲uX20CrMoVNb121欧洲欧洲本讲稿第二十八页，共三十八页4.12 奥氏体钢适用范围奥氏体钢适用范围600650u25Cr20NiNbN(HR3C火火SUS310J1HTB),650u27Cr30NiNbCo
21、(AC66)，650u20CrNiNb(合金合金)，650u20Cr25NiNbNTiB(NF709)，650uX12CrNiWTi1613，650uX6CrNiMo1713(TP316H)，650u18Cr10NiNb(火火SUSTP347HTB)，600u18Cr10NiTiNb(火火SUS321J1HTB)，600u18Cr9NiCuNbN(火火SUS304J1HTB)，600本讲稿第二十九页，共三十八页4.13 金属和非金属元素的性质金属和非金属元素的性质 uCr：铬：铬ge，防锈，强度高，韧性大，耐磨，耐腐蚀。，防锈，强度高，韧性大，耐磨，耐腐蚀。uMo：钼：钼mu，强度高，耐热。，
22、强度高，耐热。uV：钒：钒fan，在常温中不易氧化。，在常温中不易氧化。uNi：镍：镍nie，硬度高，坚韧，强度高，有朔性，耐温、耐蚀。，硬度高，坚韧，强度高，有朔性，耐温、耐蚀。uTi：钛：钛tai，坚韧性，耐高温。，坚韧性，耐高温。uNb：铌：铌ni，延展性，耐磨，硬度高，耐热。，延展性，耐磨，硬度高，耐热。uW：钨：钨wu，坚硬，坚韧，耐高温，高温下硬度和形状不变。，坚硬，坚韧，耐高温，高温下硬度和形状不变。uCu：铜：铜tong，导热性，延展性。，导热性，延展性。uCo：钴：钴gu，超耐热。，超耐热。uTa：钽：钽tan，延展性，抗酸，抗碱。，延展性，抗酸，抗碱。uN：氮：氮dan，惰
23、性元素。，惰性元素。uB：硼：硼peng，耐磨，热稳定性高。，耐磨，热稳定性高。本讲稿第三十页，共三十八页4.14 新材料的开发新材料的开发+W +W,CuNF616 HCM124STBA28+V,Nb STBA24SUS304+Cu,N,-TiSUS321J1HSUSTP347HSUS310J1+Cr,Ni,Nb,N+Nb,-Ti+NbSUS321H改良型改良型912%r铁素体材料铁素体材料奥氏体材料奥氏体材料9CrMoVNb本讲稿第三十一页，共三十八页 4.15 水冷壁金属壁温与材料的关系水冷壁金属壁温与材料的关系本讲稿第三十二页，共三十八页 4.16 水冷壁水冷壁金属材料金属材料u蒸汽参
24、数为（蒸汽参数为（2425MPa）/540/（540560）的超）的超临界机组锅炉水冷壁金属材料采用铁素体钢临界机组锅炉水冷壁金属材料采用铁素体钢13CrMo44，适用温度为适用温度为450 460，不需要焊后热处理。，不需要焊后热处理。u蒸汽参数为（蒸汽参数为（28MPa）/580/（580）的超临界机）的超临界机组锅炉水冷壁金属材料采用马氏体钢组锅炉水冷壁金属材料采用马氏体钢T91（9%Cr）和）和HCM12（12%Cr），这两种钢不需要焊后热处理，），这两种钢不需要焊后热处理，HCM12比比T91的耐高温、抗腐蚀性能更强。的耐高温、抗腐蚀性能更强。uHCM2S的高温抗蠕变强度高于低铬铁素
25、体钢，可焊性好，的高温抗蠕变强度高于低铬铁素体钢，可焊性好，焊后不需要热处理，列为焊后不需要热处理，列为SA213-T23。本讲稿第三十三页，共三十八页 4.17 汽水分离器的汽水分离器的金属材料金属材料u汽水分离器是超临界直流锅炉的厚壁元件，主要承受汽水分离器是超临界直流锅炉的厚壁元件，主要承受低周疲劳应力。机组启动过程中负荷变化率越大，汽低周疲劳应力。机组启动过程中负荷变化率越大，汽水分离器承受的应力也越大。水分离器承受的应力也越大。u蒸汽参数为蒸汽参数为25MPa/540/540时，汽水分离器采用时，汽水分离器采用15NiCuMoNb5、X20CrMoV121（F12）。）。u蒸汽参数为
26、蒸汽参数为28MPa/580/580时，汽水分离器采用时，汽水分离器采用的金属材料为的金属材料为P91，与与X20CrMoV121相比，相比，P91的的强度更高，可减小壁厚，提高锅炉的变负荷性能。强度更高，可减小壁厚，提高锅炉的变负荷性能。本讲稿第三十四页，共三十八页 4.18 过热器的过热器的金属材料金属材料u蒸汽参数为蒸汽参数为24MPa 26MPa/540/540的超临界机组锅炉的超临界机组锅炉过热器，过热器采用的金属材料在日本为过热器，过热器采用的金属材料在日本为TP321H、18Cr10NiTi、TP347H、18Cr10NiNb。在德国为。在德国为13CrMo44、10CrMo91
27、0、X20CrMoV121（F12）。）。u蒸汽参数为蒸汽参数为28MPa/580/580的超临界机组锅炉过热器，的超临界机组锅炉过热器，过热器采用的金属材料为过热器采用的金属材料为HCM12和奥氏体钢。和奥氏体钢。u在在600 /600汽温下，管壁温度达到汽温下，管壁温度达到650 670，应选，应选奥氏体钢奥氏体钢TP347H、TP347HFG、Super340H，部分高温段管，部分高温段管子用子用2025Cr奥氏体钢奥氏体钢HR3C、NF709，奥氏体钢的热疲劳，奥氏体钢的热疲劳性能不高，对于小管径薄壁的管束问题不大。性能不高，对于小管径薄壁的管束问题不大。uSUS310JITB(25%
28、Cr)：用于汽温为：用于汽温为600的过热器和再热器管束。的过热器和再热器管束。本讲稿第三十五页，共三十八页 4.19 高温过热器出口联箱的高温过热器出口联箱的金属材料金属材料u高温过热器出口联箱既承受低周疲劳应力，又承受高温蠕变应高温过热器出口联箱既承受低周疲劳应力，又承受高温蠕变应力。在启动过程和高负荷运行中都承受较大的应力。力。在启动过程和高负荷运行中都承受较大的应力。u蒸汽参数蒸汽参数2426MPa/540 /540的超临界机组，高温过热器出的超临界机组，高温过热器出口联箱采用的金属材料为马氏体钢口联箱采用的金属材料为马氏体钢X20CrMoV121(德德)，2.25CrMo和和HCM1
29、2(日日)。近年来采用马氏体钢。近年来采用马氏体钢P91，P91可可承受快速负荷变化产生的应力。承受快速负荷变化产生的应力。uP91允许的极限温度为允许的极限温度为580，比，比 P22/X20CrMoV121提高提高40，壁厚可减薄壁厚可减薄50%，但可焊性较差。，但可焊性较差。u NF616、HCM12A为新一代为新一代9%Cr12%Cr钢，在钢，在600汽温下，汽温下，壁厚比壁厚比P91可减薄可减薄40%。本讲稿第三十六页，共三十八页20G为为5800元吨；元吨；15CrMoG为为7500元吨；元吨；12Cr1MoVG为为8500元吨；元吨；SA213-T91为为24000元吨。元吨。本讲稿第三十七页，共三十八页本讲稿第三十八页，共三十八页