ASME批准认可的第三代新型铁素体耐热钢的性能及应用.docx

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ASME批准认可的第三代新型铁素体耐热钢的性能及应用

北京巴威公司工程部韩肇俊

本文主要讨论已为ASME规范批准认可、适合于在高温受压元件上使用的第三代新型铁素体耐热钢的性能及应用。

由于新钢种具有更高的蠕变断裂强度和良好的综合性能，尤其适合于作为超临界和超、超临界机组锅炉的用钢。

ASME规范，锅炉耐热钢，USC，超临界机组

前言：

步入新世纪，我国经济发展态势良好，国民经济对于电力的需求旺盛，尽管当前我国的装机数量增加速度很快，但是供电能力仍然有相当大的缺口。

随着大型火力发电机组在各个电网中所占比重的增加，以及为了节约能源和减少大气污染物的排放，目前，我国正处于由生产300～330MW亚临界压力机组锅炉为主，到更多地以生产600MW及以上容量的亚临界和超临界压力机组锅炉为主的转型期。

目前，各大锅炉厂正面临锅炉容量高达900MW，压力比24.5Mpa或更高，以及蒸汽温度比543℃/569℃、或者比566℃/566℃还要高的超临界锅炉市场竞争，并且需要尽快为参与蒸汽温度高达593℃/593℃或600℃/600℃的超、超临界锅炉的市场竞争中去作准备。

对于发展超临界机组和超、超临界机组来说，在世界范围内，超临界火力发电技术经过几十年的发展，目前已经是一种成熟的先进技术。

在发展过程中，上世纪的60年代，影响早期超临界和超、超临界机组可靠性的主要因素就是材料问题。

美国在20世纪60年代，首批超临界机组当初的用材模式上，在T22/P22材料之后全部为奥氏体不锈钢，也就是在高温受热面管子的选材上依据T22-TP304H-TP347H模式做设计，由于过分依赖于奥氏体不锈钢，其结果在制造和运行中发现了一系列的问题，其中关键就是材料问题。

奥氏体不锈钢管子用量大，不仅直接导致材料与制造成本高。

在材料的使用性能上，不锈钢热膨胀系数大、导热系数低，如果设计壁厚较厚，必然造成较大的热应力和疲劳损伤；同时，由于在当时冶金质量上的限制以及不恰当地使用了传统的化工用抗腐蚀18Cr-8Ni的TP304H材料为主，其应力腐蚀敏感性高，受热面管子的高温烟灰腐蚀和内壁蒸汽氧化造成严重的运行隐患。

此外，还出现了铁素体钢与奥氏体钢之间异种钢焊接接头早期失效问题。

在锅炉集箱与主蒸汽管道的设计上，由于以P22材料为主所设计的元件壁厚过厚，热疲劳问题突出，元件的工作寿命不足。

早期超、超临界机组的可用率低，使得几乎所有的电厂不得不又降回到蒸汽参数压力24.1Mpa或以下、以及汽温为538℃～566℃的亚临界参数下运行，并且一直持续了20多年。

而这时期正是改进和开发新型铁素体钢和新型奥氏体耐热钢的时期。

世界范围建设大型火力发电厂的经验证明：

锅炉的设计和制造商必须及时了解新开发完成的钢种和有关技术规程及材料方面的技术进步，适时地通过采用一批综合性能更高的新钢种来替代技术经济性较低、或者使用中问题较多的老钢种。

而优先使用已经为ASME规范批准认可的材料是一种正确和可靠的选择。

对于锅炉用钢，为了掌握已经出现了那些新钢种及新型钢材、以及是否已经得到ASME的认可使用，应该跟踪最新版的ASME规范及《规范案例》和比ASME材料标准更新要更早些的最新版ASTM材料标准。

需要指出的是对于在动力锅炉的设计与制造中如何使用这些新认可材料则必须是依据前者。

（注：

这里必须附带说明的是获得ASME认可的新钢种，总是首先出现在新版《规范案例》，即ASMECodeCase中，其时，它只有名义成分是明确的，而ASME对钢种的命名却要在之后，也就是要在它们被正式列入到ASTM及ASME材料标准里后。

CACI协会在翻译出版ASMECodeCase中译本时，对钢种命名尽量加译注说明。

）

以下，本文将依据2001年最新版ASME规范和《规范案例》，以及随后出版的A02和A03增补，还有有关新钢种的性能资料，首先为大家介绍已经为ASME规范批准认可的，新型2.25％～12％Cr铁素体耐热钢的性能及其应用。

本文要重点介绍的五种新钢种为：

2.25％Cr的T23和T24钢；9％Cr的T92和T911钢和12％Cr的T122钢；以及适当介绍这些新钢种的其他钢材，例如，T92以外的P92钢管、F92钢锻件和Gr.92钢板。

对于在同一时期内开发并获得ASME批准认可的新型奥氏体耐热钢，将另文进行讨论。

1．新型锅炉耐热钢的发展

研究报告表明，20世纪80年代欧洲13个国家组织的《欧洲COST501规划》和1990年美、日、英和丹麦等国共同参与的EPRIRP1403-50国际共同研究计划对世界范围电站用新型钢材开发的影响最为显著。

其中，由日本的住友金属和日本制铁（即，新日铁）两家钢厂开发完成的新钢种最多。

日本引进并应用使用温度为600～620℃的T91/P91钢是从82年开始；而从87年起则转为以开发新型2.25％～12％Cr铁素体耐热钢的研制与实用为主。

日本在1990年及其后首批投入运行的、汽温为593℃/593℃及以上的超超临界机组是松浦电厂2号、原町电厂2号和橘湾电厂的1号机组。

日本在这些超、超临界机组上使用的锅炉钢材及所能达到的高可用率，对于我国发展超、超临界参数锅炉进行锅炉设计及选材，有参考价值。

下面给出的图1是日本的学者对现有锅炉用铁素体耐热钢新钢种开发所做的汇总。

它们示出了新型耐热钢与原有钢种的关系及其发展历程，同时示出了所采用的微合金化元素，从而揭示了新钢种开发的冶金原理。

在图1中不仅包括了由日本的钢铁厂开发的新钢种，还同时列出了象EM12、E911钢等由欧洲开发的新钢种。

1.1新型铁素体耐热钢的发展

图1按开发先后及蠕变强度高低排序的新型铁素体耐热钢

图1中，自上而下，随铬元素含量的不同共三个系列。

含铬达到2-1/4％Cr为一个系列，例如，列在第一行方框内的、名义成分为2.25Cr1Mo的T22钢管子。

它以下为9％Cr和12％Cr系列铁素体钢。

图中，方框内示出的是名义成分，方框下示出钢厂命名的钢种牌号，其下，括号内示出的是ASME认可钢号及日本标准批准钢材牌号。

2-1/4％Cr之后，随铬的含量增加到7％Cr以上，便产生新的系列钢，它具有与马氏体一样的微观结构。

其中，作为含铬9％的传统钢种，在SA-213、SA-335和SA-182及SA-336标准中有着名义成分为9Cr-1Mo的、钢号为T9、P9和F9的钢种，它们在图1中列为第二行。

虽然这些钢种还保留在ASME的材料标准中，但是，由于这些传统钢种的高温强度不够、性能较差，实际很少使用。

图中的第三行，含铬（Cr）为12％，在美国钢种中，只有棒钢（bar），即图中的AISI410，原本并没有管子（tube）等钢材的产品。

在图1中除了按铬（Cr）和钼（Mo）两种合金元素的含量排序外，还自左到右，按600℃、105h蠕变断裂强度作了排序，分别称之为传统钢种，和第一代到第四代新钢种。

新钢种采用新的合金元素和显微结构，使得钢的蠕变断裂强度及耐热性能得到大幅度提高。

这些元素除了V以外，是Nb和W，还有Cu，Ti和B等元素。

对于9％Cr和12％Cr两个系列来说，当第一代新钢种的600℃、105h下的蠕变断裂强度由为35提高到60MPa时，第二、第三和第四代的新钢种600℃、105h下的高温蠕变断裂强度分别提高为100、140和180Mpa。

如图所示，位于最左侧的，即传统的Cr-Mo耐热钢是铬（Cr）作为合金元素和钼（Mo）一起使用，并在显微组织中形成稳定的碳化铬，通过增加钢中的铬元素含量抗氧化、而适于在更高的温度下使用。

在传统的Cr-Mo耐热钢的基础上，通过添加钒、钼、铌等合金元素可以提高其600℃、105h蠕变断裂强度，达到约60MPa左右。

在图中称为第一代改良钢种。

例如，在2.25Cr-1Mo钢的基础上，通过添加钒（V）开发出的新钢种为2.25Cr-1Mo-V钢，在SA-832标准中的Gr.22V钢板和SA-182及SA-336标准中的F22V锻件就是2.25Cr-1Mo-V钢的产品。

之后，开发出的是通过-C-Mo和+W+Nb而产生的新钢种，即图中的T23钢。

当T22钢的蠕变强度只有35MPa，而T23钢的蠕变强度却可以达到80MPa左右。

它在550℃到625℃蠕变温度范围内的蠕变断裂强度是T22钢的2倍，甚至相当地接近于含Cr,Mo量要高得多的T91钢。

使用同样的冶金原理，由欧洲开发完成同一代钢种是T24钢管子，由于时间上较后、获得批准也较晚，没有示出在该图中。

第二代的代表性钢种是对9Cr-1Mo钢通过添加V和Nb并作优化后获得的9Cr-1Mo-VNb的ASMET91/P91/F91/Gr.91钢。

当“第二代”新型铁素体耐热钢、9Cr-1Mo-VNb的T91/P91钢在80年代初完成开发并获得了ASME的批准认可之后，该钢种在世界范围内迅速得到推广应用。

其中，以T91钢生产的管子已经成为在金属温度625～650℃条件下部分替代奥氏体钢、设计亚临界和超临界锅炉的过热器和再热器不可或缺的重要钢种。

以P91钢生产的钢管从1989年起，已在世界范围的超超临界机组上被广泛用作为集箱和主蒸汽管道材料使用，在不接火的条件下蒸汽温度593℃及以下，长期工作可靠。

此后，在9％-12％Cr钢的开发上取得进一步突破而产生的第三代新型铁素体耐热钢，则主要立足于在-Mo的同时+W，或称之为：

以钨（W）替换钼（Mo）元素，日本的Fujita教授发现：

由此可以使得9％～12％Cr-Mo-VNb钢的蠕变断裂强度提高约30％之多。

第三代首先完成开发的是NF616，即T92钢。

以钨替换钼而使得高温强度得到提高的钢种，在英文资料中一般称为：

“钨强化钢”（Tungstenstrengthenedsteels）。

已经开发获得成功的钨强化钢，目前有：

9Cr-0.5Mo-1.8W-VNb的NF616钢，即T92/P92钢；12Cr-0.5Mo-1.8W-VNb的TB12钢和12Cr-0.5Mo-2W-CuVNb的HCM12A，即T122/P122钢。

此外，还有9Cr-1Mo-1.0W-Nb的T911/P911钢。

其中，住友金属在开发出t122，即HCM12A之前曾经开发过属于第二代的HCM12钢，所以，它是在第二代钢基础上改良后产生的新钢种。

上述4个新钢种采用钨强化之后，这些新钢种的共同点是：

600℃、105h下的高温蠕变断裂强度提高到了约140Mpa，比第二代的T91/P91钢高约25％～30％。

正在开发中的“第四代”的新型铁素体耐热钢，是日本制铁的12Cr-WCoNiVNb（NF12）钢和住友金属的12Cr-WCoVNb（SAVE12）钢。

它们通过添加钴（Co）元素对钢进行微合金化，可以称作为是“钴强化钢”。

它们的高温蠕变断裂强度更高，在600℃、105h下达到180MPa。

只是根据2001年版的ASME规范及随后发布的规范增补A02和A03，“第四代”的新型铁素体耐热钢，即NF12钢和SAVE12钢，以及“第三代”中的TB12钢，到目前为止尚未获得ASME的批准认可。

2000年在美国Florida召开的“2000InternationalJointPowerGenerationConference”-指出：

第四代新型铁素体钢被认为可能在650℃蒸汽温度的机组上应用。

对比第二代铁素体耐热钢，第三代新钢种的综合性能有相当大的改进，特别是其中的T92（NF616）钢和T122（HCM12A）钢更为突出。

图1中的下面二行，9％-12％Cr耐热钢是各国Cr-Mo新型铁素体耐热钢开发研制的重点和超临界及超、超临界锅炉技术发展中的热点。

图2所示为第三代新钢种中的T92钢、T911钢和T122钢与T91铁素体耐热钢及奥氏体耐热钢TP304H和TP347H钢的许用应力比较。

如图中许用应力曲线所示：

T911钢和T91钢的许用应力值相差不大；T92/P92钢和T122/P122钢在566℃及以下的温度范围内的许用应力，比TP347H奥氏体钢的应力值还要高，而在590℃到650℃的温度范围内的许用应力与TP347H奥氏体钢相当接近。

许用应力以及高温强度的提高，可以使得受压元件的壁厚减薄，不仅节约了金属，更因为它们具有较高的导热率和较低的热膨胀系数而有利于减轻高温集箱的热疲劳损伤。

不仅如此，由于它们是铁素体钢，当在高温蒸汽作用下管子的内壁所产生的氧化膜的组成成分和层厚比较均匀，不容易剥落，其抗剥离性能优于奥氏体钢。

这样便减小了在管子内壁发生应力腐蚀或晶间腐蚀的可能性。

图2T92/T911/T122钢与T91钢及TP304H和TP347H奥氏体钢的许用应力比较

所以，在超临界及以上的锅炉上推广使用“第三代”的新型9％-12％Cr铁素体耐热钢，提供了这样的可能性：

比较在以往的亚临界锅炉设计上仅仅使用T91/P91钢替代奥氏体耐热钢，它们可以更进一步地替代奥氏体钢，在节约成本的同时，有利于提高超临界机组锅炉的设计性能及运行可靠性。

“第三代”新型9％-12％Cr铁素体耐热钢的开发和应用多数属于国际合作计划项目以及欧洲的合作研究项目。

有关的研究报告大多在“ImprovedCoal-FiredPowerPlants”和EPRI国际会议上发表。

其中，又有较多数量的论文侧重于讨论这些新钢种在超超临界机组上用于制造集箱和主蒸汽管道，也就是用P92、P911和P122钢替代P91钢来适应更高蒸汽参数的使用要求。

如资料[11]指出的那样：

当使用P91钢制造集箱和主蒸汽管道时，一旦厚度超过100mm，则已经超出目前的制造能力。

而使用P92钢替代P91钢，由于600℃、105h蠕变断裂强度可以从98MPa提高到132MPa，尽管材料价格较高，但是，其壁厚可以减薄约30％，问题即可解决。

根据日本的研究报告，T92/P92钢和T122/P122钢用于超临界及以上的锅炉上，在1990年起，就已经列入到EPRI1403-50国际合作计划项目，内容为对新钢种部件制造进行跟踪研究。

接着，根据EPRIWO9000-38国际合作计划，1995年起，使用P92钢和P122钢做集箱筒体和端部大小头及用T91钢做管接头的三根集箱，已经在参数为290bar、温度为580℃/580℃/580℃的400MW机组上，在丹麦的Nordjyllandsvaerket电厂进行工地试验研究。

这些集箱由日本三菱负责制造，集箱结构如图2所示。

如图中所示在供试验研究的集箱设计上已充分考虑了各种钢种、不同壁厚的焊接接头组合，其中，还包括与F91钢锻件的连接。

这些集箱的设计参数为：

设计压力313bar，设计温度602℃。

它们由丹麦的授权机构按ASME规范的第I卷要求做制造和安装监检。

根据资料[8]的介绍，欧洲在集箱和主蒸汽管道的设计选材上更偏向于使用P92钢和P911钢。

该资料介绍，使用P92钢和P911钢制造的主蒸汽管道正在丹麦和德国的电厂建设中。

图2超超临界机组用P92钢和P122钢集箱和管接头

2．五种新型铁素体耐热钢开发商、钢种牌号和ASME认可情况

表1所示为这2.25%~12%Cr系列中五个新钢种获得ASME规范的认可情况。

表中，2.25％Cr系列的T23钢是住友金属开发的，T24钢是欧洲的V&M公司开发的新钢种。

9％Cr系列中的T92（NF616）、T911（X11CrMoWVNb911）和T122（HCM12A）三种新钢种分别是由日本制铁、欧洲钢厂和住友金属开发的。

表中，除了T24钢开发得相对晚些因此钢种不全，以及还缺少Gr.92的钢板外；其他4个新钢种，包括锻件和钢板在内，适合制造锅炉受压元件的钢材品种相当完整。

表12.25％-12％Cr铁素体耐热钢新钢种获得ASME规范的认可情况

规范案例所列出名义成分

ASME规范案例

ASME批准日期

制品型式

管子（SA-213）

钢管（SA-335）

锻件（SA-182）（SA-336）

钢板（SA-387）

2.25Cr-1Mo-V

---

F22V

Gr.22V（SA-832）

2.25Cr-1.6WVNb

CC2199-1

1999.5.4

T23

P23

F23

Gr.23

（7CrMoVTiB10-10）

---

T24

---

9Cr-2W

CC2179-3

1999.10.29

T92

P92

F92

---

9Cr-1Mo-1W-Cb

（X11CrMoWVNb9-1-1）

CC2327

2000.5.2

T911

P911

F911

Gr.911

12Cr-2W

CC2180-2

1999.5.4

T122

P122

F122

Gr.122

注：

①表中首先被纳入到2001年版ASMESA-213标准中的是T92钢，A02增补中T23和T122钢在一起已经纳入SA-213/SA-213M管子标准。

T24和T911钢已被纳入到ASTM的A213-01标准里。

②表格中用括号列出的名义成分是欧洲命名的名义成分及钢号。

3．五种新型铁素体耐热钢的化学成分设计

表2所示为已经纳入到上述规范案例和最新版的ASTMA213/A213M-2001标准中的上述新型铁素体耐热钢的化学成分。

为了便于比较，同时列出了T22和T91钢的化学成分。

表2新型铁素体耐热钢的化学成分

标准

钢号

2.25％Cr钢

SA-213

T22

（比较）

Max

0.15

0.30

0.60

Max

0.030

Max

0.030

0.25

1.00

1.9

2.6

0.87

1.13

SA-213

CC-2199-1

T23

0.04

0.10

0.60

Max

0.030

Max

0.010

Max

0.50

1.9

2.6

0.05

0.30

1.45

1.75

0.20

0.30

0.02

0.08

Max

0.030

0.0005

0.0060

Max

0.030

SA-213

T24

0.05

0.10

0.30

0.70

Max

0.020

Max

0.010

0.15

0.45

2.2

2.6

0.90

1.10

0.20

0.30

Ti0.05

0.10

Max

0.012

0.0015

0.0070

Max

0.020

9％Cr钢

SA-213

T91

（比较）

0.08

0.12

0.30

0.60

Max

0.020

Max

0.010

0.20

0.50

8.0

9.5

0.85

1.05

0.18

0.25

0.06

0.10

0.03

0.07

Max

0.40

Max

0.040

SA-213

CC-2179-3

T92

0.07

0.13

0.30

0.60

Max

0.020

Max

0.010

Max

0.50

8.5

9.5

0.30

0.60

1.50

2.00

0.15

0.25

0.04

0.09

0.03

0.07

0.001

0.006

Max

0.40

Max

0.040

A213-01

CC-2327

T911

0.09

0.13

0.30

0.60

Max

0.020

Max

0.010

0.10

0.50

8.5

9.5

0.90

1.10

0.90

1.10

0.18

0.25

0.06

0.10

0.04

0.09

0.0003

0.006

Max

0.40

Max

0.040

12％Cr钢

SA-213

CC-2180-2

T122

0.07

0.14

Max

0.70

Max

0.020

Max

0.010

Max

0.50

10.0

12.5

0.25

0.60

1.50

2.50

0.15

0.30

0.04

0.10

0.30

1.70

0.040

0.100

Max

0.005

Max

0.50

Max

0.040

3.1T23钢的化学成分设计

如表3所示，T23钢在成分设计上，在原2-1/4Cr-1Mo，即T22钢的基础上采用多元复合强化原理对钢铁进行改良：

住友将T23钢的碳定为0.006％，即采用低碳设计以提高其可焊性，同时开发出焊前无需预热、焊后可以不焊后热处理的焊接填充金属，使得焊接接头的最大硬度不超过350Hv；

通过加入1.6％的钨（W）合金元素获取固溶强化效果，同时，通过添加0.25%V、0.05%Nb和B来获取沉淀析出强化效果而提高钢的蠕变强度；

通过添加B元素的另一个目的是提高钢的淬透性从而获得完全回火贝氏－马氏体组织，来保证材料的韧性。

3.2T24钢的化学成分设计

T24钢的化学成分设计与T23钢有所不同：

该钢的Cr,Mo含量与T22相当，不加W、而加入V,Ti和B；也就是它依靠添加V和Ti和B元素来提高钢的蠕变强度。

T24钢在550℃到620℃蠕变温度范围内的许用应力也是T22钢的2倍还要多些，当金属温度tm≤566℃时，比日本住友研制的T23钢还要高；

T24钢同样焊接时可以不用预热、焊后可以不用焊后热处理。

只是T24钢当温度超过566℃时的许用应力比T23钢下降得快；所以该钢种更适合于用作超临界锅炉的水冷壁。

3.3T92和T911钢的化学成分设计

9％Cr和下述12％Cr新钢种的化学成分设计中都含钨（W），并且，通过对含钼量和含钨量的优化选择及添加少量的硼（B）元素而对提高高温蠕变断裂强度即强化起着决定性作用。

T92钢在开发中，已将目前已知的强化手段全部用上了，它们是：

W-Mo复合固溶强化，以W为主；V-Nb和N的碳化物析出强化；以及B晶界强化。

如资料[8]指出的那样：

T92和T911钢只是在含钼量和含钨量上不同，但是，这两种钢的钼当量，即（Mo+1/2W）的含量相同。

3.4T122钢的化学成分设计

关于T122钢，根据住友金属提供的有关开发及化学成分设计的介绍，T122钢的开发同样把目前已知的强化手段全部都用上了，此外还对于钢的可焊性和韧性作了充分的考虑。

根据住友金属的介绍，T122钢在化学成分的设计上，还有一个特点是：

它含有约1％的铜（Cu）。

加入铜元素的主要目的在于：

在金属的显微组织中使得δ铁素体的含量不超过5％，同时使得按Creq=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+8Ti+12Al-40C-30N-4Ni-2Mn-Cu-2Co公式计算得出的铬当量小于等于9％，从而保证该钢种具有良好的冲击韧性。

4．五种新型铁素体耐热钢的热处理和显微组织

4.1T23钢的热处理及显微组织

根据规范案例CC-2199-1的规定，T23钢应在1900°F（1040℃）温度下做奥氏体化处理，然后进行空气冷却或加速冷却，在最低1350°F（730℃）温度下做回火处理。

川崎制铁推荐的热处理制度为：

1040℃±10℃正火热处理，在760℃±10℃下回火，保温时间6

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