第一篇：超超臨界機(jī)組鍋爐高溫材料的選擇和應(yīng)用

超超臨界機(jī)組鍋爐高溫材料的選擇和應(yīng)用

摘 要：根據(jù)現(xiàn)今全球超超臨界機(jī)組中百萬千瓦級的動態(tài)發(fā)展情況，分析已有的機(jī)組參數(shù)。超超臨界鍋爐用耐高溫材料與其參數(shù)是緊密聯(lián)系在一起的，研究并開發(fā)應(yīng)用超超臨界鍋爐的高效性能、方便加工和經(jīng)濟(jì)性新型材料，是未來發(fā)展的主要方向。

關(guān)鍵詞：超超臨界鍋爐；高溫材料；選擇及應(yīng)用

在國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定持續(xù)增長的大背景中，人們不斷的增加電力需求和國家實(shí)施節(jié)能減排的政策，建設(shè)容量大、效率快、參數(shù)高及節(jié)能好的機(jī)組是我國電力的發(fā)展趨勢。提高鍋爐的蒸汽壓力、溫度以及其他參數(shù)都能有效提高發(fā)電廠的發(fā)電效率，其中溫度的影響效果最明顯?，F(xiàn)今國際上超超臨界機(jī)組的參數(shù)為初壓力24.1-31MPa，其主蒸汽/再熱蒸汽的溫度是580℃-600℃/580℃-610℃，用USC作表示。而其使用金屬材料的耐高壓、耐高溫與焊接問題是如何提高蒸汽參數(shù)這個問題中所存在的首要技術(shù)難題。高溫材料的選擇

開發(fā)具有更好耐高溫性的耐熱鋼是發(fā)展高效超超臨界火力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，讓他們適用在更高的溫度范圍。現(xiàn)今全球在管道及鍋爐的用鋼發(fā)展可大致分為兩方向：

（1）發(fā)展鐵素體耐熱鋼，馬氏體、貝氏體及珠光體耐熱鋼都被統(tǒng)稱作鐵素體耐熱鋼；

（2）發(fā)展奧氏體耐熱鋼。全球先進(jìn)國家所研制推廣以及普通采用新的耐熱鋼種有三大類：a.新型細(xì)晶強(qiáng)韌化鐵素體耐熱鋼；b.新型細(xì)晶奧氏體耐熱鋼；c.高鉻鎳奧氏體鋼。高溫材料的應(yīng)用

在過熱器以及再熱器的用鋼方面，不僅需要滿足蠕變的強(qiáng)度，還必須滿足蒸汽側(cè)抗氧化的性能以及向火側(cè)抗腐蝕與沖刷的性能。所有的鐵素體鋼幾乎不能用在蒸汽溫度高于565℃的過熱器或者再熱器中，這里使用奧氏體鋼在需要耐高溫的部件上。這里對幾種高溫材料進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.1 T91/P91

T91具有良好的力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)及性能具有較好的穩(wěn)定性，焊接與工藝性能優(yōu)良，具備較高的持久與抗氧化性。和TP304H作對比，T91的導(dǎo)熱系數(shù)相對較高、熱膨脹系數(shù)相對更低、持久強(qiáng)度中的等強(qiáng)溫度相對較好以及等應(yīng)力溫度相對更高，并分別到達(dá)625℃及607℃。T91和T9鋼作對比，T91的持久強(qiáng)度是600℃，是T9鋼的三倍，同時還繼承了T9鋼優(yōu)秀的抗高溫腐蝕性能。

T91使用的最高溫度是650℃，最佳溫度是585℃-625℃，該鋼經(jīng)常使用在制造不超過650℃壁溫的過熱器、再熱器以及屏式過熱器等的重要組成部分，也可以代替亞臨界鍋爐中過熱器與再熱器的TP304H以及TP347H，也能使用在壓力容器與核電的高溫受壓部件中。P91通常使用在制造不超過600℃壁溫的過熱器、再熱器集箱以及主蒸汽管道中，它應(yīng)用在超臨界機(jī)組中的優(yōu)越性十分顯明。

2.2 T92/P92

T92/P92是新型9%Cr馬氏體熱強(qiáng)鋼，比奧氏體的熱膨脹系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)更加優(yōu)異。T92具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性、焊接與加工性能；抗蒸汽的氧化性能基本與T91相同；通過焊接試驗(yàn)，證明了T92的抗裂性較好，止裂在預(yù)熱溫度100℃；650℃的持續(xù)強(qiáng)度滿足多種要求。和T122作對比，T92在性能方面略占優(yōu)勢，但價格卻相對高昂。高W含量可能會因?yàn)殚L期運(yùn)行發(fā)生蠕變脆化，將P92使用在厚壁部件的時候，會有IV型裂紋的趨向，因此，這些都需要更多的時間來進(jìn)行評估。

因?yàn)門92/P92的性能優(yōu)良，能代替TP304H與TP347H在電站鍋爐的過熱器以及再熱器中的應(yīng)用，能通過改善其運(yùn)行的性能從而減少甚至避免異種鋼接頭，其實(shí)際意義非常重大。如果使用在亞臨界鍋爐中，可代替T91與TP347H厚壁管。P92通常使用在苛刻的蒸汽條件下，主要使用在集箱與蒸汽管道上。P92是已有的鍋爐最高溫度區(qū)以及超臨界壓力鍋爐管子的使用鋼，該鋼勢必會廣泛應(yīng)用在主蒸汽和再熱蒸汽管道上。

2.3 Super304H

因?yàn)榈邆涞墓倘軓?qiáng)化作用，所以Super304H比18Cr-8Ni型不銹鋼的強(qiáng)度水平高，而且其塑性和TP347H相差無幾；十萬小時的650℃持久強(qiáng)度的外推數(shù)值為128MPa。Super304H具有良好的焊接性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，并且抗蒸汽的氧化性和抗高溫的腐蝕性能良好。在650℃的高溫中該鋼許用應(yīng)力高于TP304H的90%，高于TP347H的48%，高于TP347HFG的21%，并且略微高于HR3C的5%。僅從抗氧化性或者抗腐蝕性來看，Super304H和TP347HFG相近，但其綜合性價比略微占有優(yōu)勢。

Super304H℃使用的最高溫度是700℃，通常使用在超超臨界機(jī)組鍋爐中的過熱器與再熱器上。因?yàn)槠湫阅軆?yōu)異，不管是從其可靠性以及經(jīng)濟(jì)性來看，它都屬于以后超超臨界機(jī)組鍋爐中的過熱器與再熱器非常重要的首選材料。

2.4 HR3C

HR3C是結(jié)合TP310H以及TP310Cb的特征并加以改善的25Cr-20Ni型的奧氏體耐熱鋼，它的公稱成分是0.1C-25Cr-20Ni-Nb-N。因?yàn)樵贖R3C中加進(jìn)了許多的Cr，Ni以及相對較多的Nb以及N，它的抗張強(qiáng)度比常規(guī)不銹鋼18Cr-8Ni高，它的許用應(yīng)力與持久強(qiáng)度也比TP310以及常規(guī)不銹鋼18Cr-8Ni高，抗高溫的腐蝕性能也明顯比18Cr-8Ni和19Cr-11Ni優(yōu)異，而且其抗蒸汽的氧化性能也非常的優(yōu)秀，炸接的接頭也同樣滿足規(guī)范要求。

在臨界壓力參數(shù)的條件下，HR3C通常使用在制造循環(huán)流和大型發(fā)電鍋爐溫度不超700℃的過熱器、再熱器、屏式過熱器和各種耐高壓，耐高溫或者抗硫、抗氯等環(huán)境腐蝕的管件。結(jié)束語

超超臨界機(jī)組發(fā)電是一個有前途的清潔煤發(fā)電技術(shù)，因?yàn)槌R界的蒸汽參數(shù)條件，使機(jī)組中一些關(guān)鍵部件性能具有更高的要求，合理的進(jìn)行選材確保機(jī)組的安全性與可靠性。新鋼種還處在應(yīng)用的起步階段，需要不斷的進(jìn)行探究和歸納其在運(yùn)用中顯現(xiàn)的問題，從而推動其穩(wěn)定發(fā)展以及運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]毛建雄.700℃超超臨界機(jī)組高溫材料研發(fā)的最新進(jìn)展[J].電力建設(shè)，2013（18）：69-76.[2]梁軍.超超臨界火電機(jī)組鋼材選用分析[J].電力建設(shè)，2012（10）：74-78.

第二篇：超超臨界機(jī)組焊接質(zhì)量控制

超超臨界機(jī)組承壓部件焊接質(zhì)量控制

超超臨界機(jī)組焊接質(zhì)量控制

一、工程概況

望亭發(fā)電廠改建工程為2×660MW級的超超臨界、中間再熱、燃煤發(fā)電機(jī)組。本工程項(xiàng)目公司為望亭發(fā)電廠，設(shè)計(jì)單位為華東電力設(shè)計(jì)院，主體工程監(jiān)理單位為安徽省電力工程監(jiān)理有限責(zé)任公司。

鍋爐采用上海鍋爐廠有限公司產(chǎn)品，為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)；鍋爐采用半露天封閉、П型布置。

汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)西門子技術(shù)的國內(nèi)首臺產(chǎn)品，汽輪機(jī)為超超臨界一次中間再熱，四缸四排汽，單軸凝汽式，機(jī)組能滿足各種運(yùn)行方式，有較高的負(fù)荷適應(yīng)性，能夠帶基本負(fù)荷并具有調(diào)峰能力，其中高壓缸（運(yùn)輸重量為133t）、中壓缸（運(yùn)輸重量為195t）為整體供貨。

發(fā)電機(jī)采用上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。形式：水氫氫冷卻汽輪發(fā)電機(jī)，靜態(tài)勵磁。

二、焊接特點(diǎn)

鍋爐受熱面施工采用地面組合及高空安裝相結(jié)合的方法，因本工程屬于老廠改建工程，組合場地狹小，高空安裝工作量大，由此增加了焊接工作的難度，給焊工提出了更高的要求。本工程鍋爐設(shè)備為上海鍋爐廠首次設(shè)計(jì)600MW等級的超超臨界鍋爐，大量采用了T/P91、T/P92、Super304、HR3C等合金鋼，焊接的難度較大。本工程為超超臨界，鍋爐受熱面焊口數(shù)約五萬多只，且工程工期短，焊接工作難度相對較大。本工程超厚壁管道比較多，焊接及焊接熱處理時間較長，施工難度相對較大。

三、焊接過程中的質(zhì)量控制

目前，就電力建設(shè)行業(yè)來說，一個工程中所涉及到的承壓部件焊接工作特別多，從鍋爐受熱面、鍋爐本體連接管及爐頂鋼架到汽機(jī)四大管道及中、低壓管（包括汽機(jī)本體油管道）等等都需要進(jìn)行焊接。這就涉及到一個焊接質(zhì)量問題，其好壞對一個工程是否合格或優(yōu)良起著決定性的作用。下面就在工程中如何把好焊接質(zhì)量關(guān)談一些看法。

在工程建設(shè)中如何使焊接質(zhì)量得到有效的控制。主要方法為：

1、人員培訓(xùn)。超超臨界機(jī)組承壓部件焊接質(zhì)量控制

要求理論和實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)出技藝出眾、作風(fēng)良好的優(yōu)秀焊工。

2、材料控制，防止不合格的材料用于工程建設(shè)中或材料錯用等情況的發(fā)生。

3、制定合理的施工方案和工藝制度，確保和提高焊接工程質(zhì)量。

4、建立有效的質(zhì)量保證體系，從上至下形成質(zhì)量管理網(wǎng)絡(luò)，明確分工和職責(zé)。

1）首先要從人員培訓(xùn)出發(fā)，沒有一批優(yōu)良合格的焊工，就不用談焊接質(zhì)量。培訓(xùn)分為實(shí)際操作和理論學(xué)習(xí)兩部分。在實(shí)際操作過程中，要求焊工養(yǎng)成良好的習(xí)慣，如認(rèn)真檢查對口質(zhì)量，培養(yǎng)正確的操作手法，認(rèn)真清理層間飛濺和熔渣，認(rèn)真進(jìn)行表面質(zhì)量的自檢等。這樣就為以后在現(xiàn)場施工時打下一個良好的基礎(chǔ)。

實(shí)際操作水平高是焊接質(zhì)量保證的一個關(guān)鍵，但焊接理論知識的學(xué)習(xí)同樣不可忽視。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，培訓(xùn)時往往注重實(shí)際操作的練習(xí)和考核，焊接理論知識的學(xué)習(xí)和考核則一點(diǎn)也不重視，這就造成了在現(xiàn)場施工中，一些焊工對焊接的基本條件不了解，不能夠正確識別焊接材料的種類及基本用途，有的焊工甚至連《焊接自檢記錄》的表格都不會填。所以，人員的培訓(xùn)是保證焊接質(zhì)量的前提。在培訓(xùn)考核過程中，要求培訓(xùn)單位嚴(yán)格把關(guān)，培養(yǎng)出技藝出眾并能夠熟悉掌握理論知識的優(yōu)秀焊工。

2）焊接材料的控制。焊接材料的好壞及是否正確使用直接影響焊接質(zhì)量。不合格的材料可直接導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生，如氣孔、夾渣等。如果用錯焊接材料就有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，特別是承壓管道的焊口，材料一旦用錯，不僅是焊口泄露問題，還可能引起重大的安全事故，對人身及國家財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失。可以從以下幾方面來做好工作，使焊接質(zhì)量得到保證。

a)入庫與存儲

焊接材料入庫前，工地材料員和焊條庫管理員應(yīng)對每批焊材進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)證，看是否符合計(jì)劃要求和技術(shù)條件要求，不符合要求的一律不許入庫。正確填寫《焊接材料進(jìn)貨記錄》和《焊接材料入庫檢查記錄》。

檢查焊接材料的型號、規(guī)格、數(shù)量是否與計(jì)劃一致，質(zhì)保書是否與實(shí)物一致。檢查外包裝及干燥程度：焊條、焊絲外包裝應(yīng)完好無損，無受潮現(xiàn)象。將數(shù)根焊條放在手掌上相互滾動，如發(fā)出清脆的聲響，即表示焊條較干燥，如聽見的是低沉的沙沙聲，或表面起粉，或焊芯、焊絲已生銹，則表明已受潮。

檢查焊條藥皮強(qiáng)度：將焊條舉高1米，讓其水平跌落在光滑的水泥地面或 超超臨界機(jī)組承壓部件焊接質(zhì)量控制

鐵板上，應(yīng)無裂口或脫塊現(xiàn)象。檢查焊條焊絲表面質(zhì)量：用肉眼觀察，焊條應(yīng)無砂眼、鼓包、偏心、藥皮脫落、藥皮裂口等，焊條焊芯、焊絲應(yīng)無銹跡。

氬氣入庫時，應(yīng)檢查有無合格證明，并抽查氣瓶壓力是否充足。氬氣純度不得低于99.95%。

焊條庫應(yīng)干燥、通風(fēng)良好。庫房內(nèi)應(yīng)配置遠(yuǎn)紅外燈泡和除濕機(jī)、溫濕度表。庫房溫度應(yīng)大于5℃，且相對空氣濕度小于60%。焊條庫管理員應(yīng)經(jīng)常檢查溫濕度狀況，并且每天兩次（上、下午各一次）記錄溫濕度。焊接材料應(yīng)按型號、規(guī)格、批號分類存放，并掛標(biāo)識牌。焊條堆放應(yīng)與地面、墻壁保持不少于300mm的距離，且堆放高度不宜超過1米。

b)焊條的烘燥。

焊工班（組）長應(yīng)根據(jù)工作任務(wù)，將次日所需焊條數(shù)量通知焊條庫，以利焊條庫及時烘燥。

焊條烘燥應(yīng)按其質(zhì)保書上的規(guī)范要求進(jìn)行，一般堿性焊條350℃恒溫1小時、酸性焊條150 ℃恒溫1小時。烘燥時應(yīng)按焊條型號、規(guī)格分開，并做好標(biāo)識，嚴(yán)禁混淆。不同牌號的焊條盡量在不同的烘箱中分別烘燥。焊條烘燥時，升降溫速度應(yīng)緩慢，嚴(yán)禁將冷焊條突然放入已升至高溫狀態(tài)的烘箱中，或?qū)⒑嬷粮邷貭顟B(tài)的焊條突然取出，造成藥皮開裂脫落。

焊條在烘箱內(nèi)應(yīng)放置均勻，每層不宜太厚（一般不超過100mm為宜），使焊條得到均勻而全面的烘燥。烘燥后的焊條應(yīng)放在100-150℃的低溫箱中待用。烘燥后領(lǐng)出使用而未用完的焊條，須做好標(biāo)識，重新進(jìn)行烘燥，但重復(fù)烘燥次數(shù)不得超過兩次。對嚴(yán)重受潮、二次烘燥未用完、存放超過三年以上的焊條和表面銹跡嚴(yán)重的焊絲等應(yīng)報(bào)廢，并填寫《焊接材料報(bào)廢記錄》。

焊條烘燥應(yīng)做好烘燥記錄。c)材料的發(fā)放與使用

焊工領(lǐng)用焊接材料，須憑施工班組長簽發(fā)的《焊工日任務(wù)單》。該單應(yīng)填寫正確、齊全、清晰，否則，焊條庫應(yīng)拒絕發(fā)放。

特殊用途的焊接材料（如合金鋼焊條、焊絲、不銹鋼焊條焊絲等）應(yīng)由技術(shù)員或?qū)９ず炞郑娇砂l(fā)放。

焊條庫管理員應(yīng)認(rèn)真核對領(lǐng)用單上的材料型號規(guī)格，以防錯發(fā)。焊工領(lǐng)用時 超超臨界機(jī)組承壓部件焊接質(zhì)量控制

也要核對，防止錯領(lǐng)。

焊工應(yīng)帶焊條筒領(lǐng)用焊條，焊條用于受監(jiān)部件焊接時，應(yīng)帶保溫筒領(lǐng)用。否則，焊條庫應(yīng)拒絕發(fā)放。

二次烘燥的焊條，焊條庫應(yīng)優(yōu)先發(fā)放完，焊工應(yīng)優(yōu)先使用完。發(fā)放時應(yīng)在《焊工日任務(wù)單》上注明。

焊工在施焊時，應(yīng)從焊條筒內(nèi)隨用隨取，不得將成把焊條拿出放在工件或地面上。焊條（焊絲）頭不得隨意亂扔，尤其是高空作業(yè)時。

當(dāng)日未用完的焊材應(yīng)當(dāng)日送回焊條庫，焊條庫做好回收記錄。焊條（焊絲）及焊條頭回收率不得低于領(lǐng)用數(shù)的98%，且焊條頭長度不得大于50mm，焊絲頭長度不得大于150mm。

焊工領(lǐng)用氬氣，在使用前應(yīng)試驗(yàn)其純度，如發(fā)現(xiàn)不純，應(yīng)退還氣站。若該批次有多瓶氬氣不純，應(yīng)及時向工地領(lǐng)導(dǎo)反映。氣瓶使用時不得用盡，應(yīng)留有0.1-0.2MPa的余氣。

分承包方領(lǐng)用焊條、氣瓶時亦應(yīng)按此辦法執(zhí)行。

從以上三方面來對焊接材料進(jìn)行控制，杜絕應(yīng)材料問題而造成焊接質(zhì)量的失控。

3）提高和改進(jìn)焊接、熱處理施工工藝

焊接質(zhì)量與施工工藝有著密不可分的關(guān)系，合理的、先進(jìn)的工藝不但可以提高焊口的合格率，而且可以減輕焊工的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。為了提高焊接施工工藝水平，使焊接全過程處于受控狀態(tài)，確保工程焊接質(zhì)量，特制定了施工工藝細(xì)則，要求施工人員嚴(yán)格遵守。細(xì)則內(nèi)容如下：

a)各級人員職責(zé)

焊接技術(shù)人員應(yīng)掌握工程概況，結(jié)合實(shí)際編制作業(yè)指導(dǎo)書，根據(jù)現(xiàn)場情況制定合理的焊接工藝，并向施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，深入實(shí)際進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和監(jiān)督，參與重要管道和部件的質(zhì)量驗(yàn)收工作，記錄、檢查和整理焊接資料。

焊接質(zhì)檢人員負(fù)責(zé)焊接工程的檢查、監(jiān)督和驗(yàn)收評定工作，參與技術(shù)措施的編制，注重質(zhì)量監(jiān)督資料的積累和總結(jié)。

焊工班組長應(yīng)掌握焊工技術(shù)狀況和工程情況，合理分工、過程監(jiān)控，參與焊接工程的驗(yàn)評工作。超超臨界機(jī)組承壓部件焊接質(zhì)量控制

焊工應(yīng)有良好的工藝作風(fēng)，嚴(yán)格按照給定的焊接工藝和技術(shù)措施進(jìn)行施焊，完成合格的焊接接頭。

熱處理工應(yīng)遵守作業(yè)指導(dǎo)書和交底規(guī)定，做到操作無誤、記錄準(zhǔn)確。安裝工應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范或圖紙規(guī)定對口裝配，符合要求后方可焊接。b)施工前的準(zhǔn)備

施工作業(yè)指導(dǎo)書經(jīng)審核批準(zhǔn)，并按要求進(jìn)行交底。

施焊焊工必須經(jīng)相應(yīng)項(xiàng)目的技術(shù)考核，并持有效的合格證件。熱處理工每檔必須至少有一人經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)考核取得資格證書。

承擔(dān)鍋爐受熱面管子焊接的焊工在施焊前，應(yīng)進(jìn)行與實(shí)際條件相適應(yīng)的模擬練習(xí)，并經(jīng)折斷面檢查連續(xù)合格后方可正式焊接。

焊工在施焊前應(yīng)檢查對口裝配質(zhì)量，不符合要求的，應(yīng)要求安裝工重新調(diào)整至符合規(guī)范或圖紙要求。

焊工、熱處理工應(yīng)備齊必要的工器具，焊前應(yīng)試驗(yàn)氬氣流量及純度，檢查確認(rèn)焊條、焊絲，若有懷疑應(yīng)及時報(bào)告技術(shù)人員或質(zhì)檢人員處理。

凡受監(jiān)部件焊接，焊工必須用保溫桶領(lǐng)裝焊條，焊絲使用前必須用砂紙打磨出金屬光澤。

檢查確認(rèn)焊機(jī)或熱處理設(shè)備處于良好工作狀況，焊接場所的擋風(fēng)、防雨設(shè)施應(yīng)完善。

c)施工工藝要求 焊接方法的選擇

受監(jiān)焊口焊接方法主要有手工電弧焊、手工鎢極氬弧焊和氬弧焊打底電焊蓋面三種。手工鎢極氬弧焊一般適用于φ＜60mm、壁厚δ≤5mm的鍋爐受熱面管子焊接；中低壓管道、燃油管道、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的冷卻潤滑系統(tǒng)焊口等必須采用氬弧焊打底；其它受監(jiān)焊口采用氬弧焊打底電焊蓋面的方法；鋼結(jié)構(gòu)、鍋爐密封、六道等其它項(xiàng)目的焊接采用手工電弧焊。

熱處理方法的選擇

嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)范要求進(jìn)行預(yù)熱和焊口熱處理的。

點(diǎn)固焊時，應(yīng)與正式施焊要求相同，點(diǎn)固焊后應(yīng)檢查各個焊點(diǎn)質(zhì)量，如有缺陷立即消除，重新點(diǎn)焊。嚴(yán)禁在被焊工件表面引燃電弧、試驗(yàn)電流或隨意焊接臨 超超臨界機(jī)組承壓部件焊接質(zhì)量控制

時支撐物，高合金鋼材料表面不得焊接對口用卡具。

中、高合金鋼（含鉻量≥3%或合金總含量＞5%）管子和管道焊口，為防止根層氧化或過燒，焊接時內(nèi)壁應(yīng)充氬保護(hù)，小口徑管也可以不充氬，但必須采用藥芯焊絲打底。

采用鎢極氬弧焊打底的根層焊縫檢查后，應(yīng)及時進(jìn)行次層焊縫的焊接，以防止產(chǎn)生裂紋。

多層多道焊縫焊接時，應(yīng)逐層清理干凈，檢查合格后方可焊接次層，直至完成。

除焊接工藝規(guī)定的焊口外，所有焊口應(yīng)連續(xù)完成，不得中途停止施焊，更不得將未焊完的焊口過夜（包括點(diǎn)焊口）。因不可預(yù)料的原因被迫停止時，應(yīng)及時采取防護(hù)措施（如后熱、緩冷、保溫等），重新焊接前應(yīng)嚴(yán)格檢查，確認(rèn)焊口無裂紋等異常情況后，方可繼續(xù)焊接，需預(yù)熱的焊口應(yīng)重新預(yù)熱。

為減少焊接變形和接頭缺陷，直徑大于194mm的管子和鍋爐密集排管的對接口宜采取二人對稱焊，公稱直徑大于或等于1000mm的管道或容器的對接焊口，應(yīng)采取雙面焊接，并采取清根措施，以保證封底焊質(zhì)量。

厚壁大徑管當(dāng)壁厚大于35mm、采用多層多道焊時，氬弧焊打底層厚度不小于3mm，其它焊道的單層厚度不大于所用焊條直徑加2mm，單道擺動寬度不大于所用焊條直徑的5倍。

施焊，應(yīng)特別注意接頭和收弧的質(zhì)量，收弧時應(yīng)將熔池填滿，多層多道焊的接頭應(yīng)錯開。

密封件與受熱面管子焊接時，嚴(yán)禁在管壁上引弧，并注意防止產(chǎn)生咬邊。焊接結(jié)束后應(yīng)做好清理檢查工作，注意表面工藝質(zhì)量，做到焊縫表面整齊、過渡圓滑、成型美觀。

需要預(yù)熱或焊后熱處理的焊縫，應(yīng)及時進(jìn)行預(yù)熱或熱處理。對容易產(chǎn)生延遲裂紋的鋼材，焊后應(yīng)立即進(jìn)行熱處理，否則應(yīng)做后熱處理（加熱300-350℃，恒溫2小時）。

熱處理規(guī)范參數(shù)（加熱方法、加熱溫度、升降溫速率、恒溫時間、加熱寬度、保溫寬度等）應(yīng)按交底或規(guī)程要求嚴(yán)格執(zhí)行，熱處理過程中必須有人監(jiān)控儀器、儀表，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正或匯報(bào)技術(shù)人員。超超臨界機(jī)組承壓部件焊接質(zhì)量控制

熱處理所用儀器、儀表、熱電偶應(yīng)根據(jù)計(jì)量要求進(jìn)行標(biāo)定或校驗(yàn)。大口徑管道進(jìn)行熱處理時，測溫點(diǎn)應(yīng)對稱布置在焊縫中心的兩側(cè)，且不得少于兩點(diǎn)。水平管道的測點(diǎn)應(yīng)上下對稱布置。

安裝管道冷拉口所使用的加載工具，需待整個對口焊接和熱處理完畢后方可卸載。

d)質(zhì)量檢查

焊接技術(shù)人員和質(zhì)檢人員應(yīng)經(jīng)常深入施工現(xiàn)場，檢查作業(yè)指導(dǎo)書及技術(shù)措施的執(zhí)行情況，對違反工藝規(guī)范要求的，應(yīng)立即制止并糾正。

焊接完成后，焊工應(yīng)仔細(xì)檢查表面質(zhì)量，如有超標(biāo)缺陷，應(yīng)及時消除。當(dāng)熱處理記錄曲線與所要求的規(guī)范參數(shù)不符時，應(yīng)對熱處理焊口進(jìn)行硬度測試，如硬度不符合要求，需重新進(jìn)行熱處理。

焊工應(yīng)在分項(xiàng)工程焊接接頭完成后及時填寫自檢單，班（組）長應(yīng)對焊縫100%檢查，合格后方可在自檢單上簽字，并交工地質(zhì)檢員復(fù)檢。

工地質(zhì)檢人員應(yīng)根據(jù)自檢記錄對其進(jìn)行復(fù)檢，受監(jiān)焊口必須進(jìn)行100%檢查，其它焊縫應(yīng)做不少于50%的抽檢，檢查合格后通知公司質(zhì)檢人員或監(jiān)理代表會同驗(yàn)評。

受監(jiān)焊口完成，經(jīng)表面檢查合格后，由技術(shù)人員委托金屬試驗(yàn)室進(jìn)行無損探傷。

焊接接頭有超標(biāo)缺陷時，可采取挖補(bǔ)方式返修，但同一位置的挖補(bǔ)次數(shù)不得超過三次，中高合金鋼不得超過兩次。需進(jìn)行熱處理的接頭，返修后應(yīng)重新熱處理。返修必須在接到返修通知單當(dāng)日完成。

e)獎懲辦法

焊工和熱處理工必須嚴(yán)格按照給定的工藝施工，對違反工藝制度、屢教不改或造成嚴(yán)重不良后果者，將給予罰款甚至下崗處理。

焊工應(yīng)加強(qiáng)自檢，若工地復(fù)檢時，查出超過5%的焊接接頭不合格，應(yīng)追究焊工和班（組）長責(zé)任；若公司級或監(jiān)理驗(yàn)收時超過2%不合格，則應(yīng)追究工地質(zhì)檢人員和技術(shù)人員的責(zé)任。

熱處理曲線應(yīng)100%合格，否則追究熱處理工責(zé)任。

受監(jiān)焊口一次合格率小于90%的焊工，應(yīng)暫停該項(xiàng)目的焊接工作，重新練習(xí)超超臨界機(jī)組承壓部件焊接質(zhì)量控制

合格后方可再上崗。一次合格率小于80%時，該焊工將不允許在本工程再擔(dān)任受監(jiān)部件的焊接工作，并采取相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)處罰措施。

所有汽水油氣管道焊口，在水壓、酸洗或試運(yùn)轉(zhuǎn)時不允許泄漏，如有泄漏，對施焊焊工、班組長、技術(shù)人員和質(zhì)檢人員作罰款處理。

對模范遵守工藝制度，并取得優(yōu)良質(zhì)量的焊工和熱處理工給予一定獎勵。以上幾點(diǎn)從班組各級人員的職責(zé)、焊接熱處理施工工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)等工作來控制焊接質(zhì)量，使班組每個人都各盡其責(zé)，各盡其能。4）建立質(zhì)量保證體系

在現(xiàn)場施工中，一個好的質(zhì)量管理網(wǎng)絡(luò)可以使焊接質(zhì)量得到明顯的提高和有效的控制，層層把關(guān)，使規(guī)程、規(guī)范、措施和各項(xiàng)管理制度一一得以落實(shí)。質(zhì)量保證體系主要有以下幾點(diǎn)：

工地建立了質(zhì)量管理網(wǎng)絡(luò)，明確各級質(zhì)量職責(zé)。工地主任為質(zhì)量第一責(zé)任人，焊工是焊接質(zhì)量的直接負(fù)責(zé)人，工地專職質(zhì)檢員主要負(fù)責(zé)焊接過程監(jiān)督檢查及驗(yàn)評工作。

加強(qiáng)焊工的技術(shù)培訓(xùn)與理論學(xué)習(xí)，提高質(zhì)量意識，增強(qiáng)責(zé)任感。制定相應(yīng)的管理制度及技術(shù)措施，并認(rèn)真落實(shí)執(zhí)行。

從影響焊接質(zhì)量的五個基本要素（人、機(jī)、料、法、環(huán)）著手，全方位、全過程嚴(yán)格把關(guān)，層層控制。

嚴(yán)格執(zhí)行檢查驗(yàn)收制度，自檢不能流于形式，復(fù)檢要善于發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，要一級對一級負(fù)責(zé)。

積極開展技術(shù)革新與QC攻關(guān)活動，以提高工程焊接質(zhì)量，設(shè)立專項(xiàng)質(zhì)量基金，制定質(zhì)量獎懲辦法，獎罰分明，調(diào)動職工積極性。

以上主要從四個方面闡述了如何對焊接質(zhì)量進(jìn)行控制。這些都是在電力建設(shè)工程中要嚴(yán)格實(shí)施和執(zhí)行的，也是控制焊接質(zhì)量最基本的方法。在本工程中，都得到了很好的實(shí)施，并取得了比較好的成績。焊口無損檢測的一次合格率都在98%以上，焊縫表面質(zhì)量優(yōu)良率在99%以上。

在工程建設(shè)中，還有很多焊接問題需要解決。我們要從管理和最基本的工作方法著手，結(jié)合實(shí)際，一步一步，嚴(yán)格控制，才能使焊接質(zhì)量不斷提高。

第三篇：43-超超臨界機(jī)組鍋爐新型耐熱鋼的焊接-51

超超臨界機(jī)組鍋爐新型耐熱鋼的焊接

范長信 張紅軍 董

雷 周榮燦

(西安熱工研究院有限公司，陜西省 西安市 710032)

摘要：目前火電機(jī)組正在向著高參數(shù)大容量方向發(fā)展，蒸汽溫度和壓力進(jìn)一步提高，為此開發(fā)采用了一些新型馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼，這些鋼的合金元素含量較以前的鍋爐用鋼較高，焊接性相比之下有所下降。本文主要介紹了超超臨界機(jī)組鍋爐用新鋼種的焊接性、焊接接頭的組織、力學(xué)性能和典型的失效方式。關(guān)鍵詞：超超臨界；鍋爐；耐熱鋼；焊接性；性能

1前言

超超臨界機(jī)組的出現(xiàn)，提高了機(jī)組的效率，減少了污染物的排放，是目前火電發(fā)展的必然趨勢。蒸汽溫度超過了600℃，蒸汽壓力超過了25MPa，而且還在不斷的升高，這有賴于新型耐熱鋼的不斷發(fā)展。目前應(yīng)用于超超臨界機(jī)組過路的新型馬氏體耐熱鋼有P91、P92（NF616）、E911、P122（HCM12A）等，奧氏體耐熱鋼有TH347HFG、Super304和HR3C等。這些鋼的合金元素含量均大于10%，給焊接帶來一定的困難[1-2]。

焊接接頭的失效是電站高溫承壓部件失效的一種主要方式，常常具有早期失效的傾向。因此提高焊接接頭的完整性對電站機(jī)組的安全運(yùn)行是十分重要的。焊接接頭的完整性主要是焊接接頭的性能與母材相一致，表現(xiàn)在成分、組織、性能、結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。通常我們并不能夠使接頭的性能與母材完全一致，但是我們總是努力使其趨向一致。過去一般認(rèn)為焊接接頭中存在缺陷，但是現(xiàn)在大多數(shù)的高溫焊接接頭中均不存在影響使用安全性的宏觀缺陷。取而代之的是焊接接頭組織的不均勻性和由此引起的蠕變性能的不均勻性。與母材相比，焊接接頭組織的不均勻?qū)蛊浯嬖趶?qiáng)度或大或小、塑性或高或低的區(qū)域。這些組織不同的區(qū)域在使用過程中將會產(chǎn)生不同的蠕變速率，導(dǎo)致接頭中應(yīng)力的錯配和早期失效。在未來電站和焊接接頭的設(shè)計(jì)中，必須考慮焊接接頭的性能，使其對電站安全性的危害最小化[3]。

超超臨界機(jī)組鍋爐中的一些新型耐熱鋼在國內(nèi)是首次使用，對它們的焊接性能研究尚少，對其焊接接頭性能的研究更是空白，應(yīng)引起高度重視。本文主要介紹了超超臨界鍋爐用鋼焊接接頭的性能，對這些新型耐熱鋼進(jìn)行了焊接性分析。

2超超臨界機(jī)組鍋爐用新型馬氏體耐熱鋼的焊接

超超臨界機(jī)組鍋爐用新型馬氏體耐熱鋼主要有T/P91、T/P92、E911和 T/P122等，常用于超超臨界機(jī)組管道和過熱器管上。這些鋼由于Cr含量較高，在加工制造過程中容易產(chǎn)生δ鐵素體。T/P91是在9Cr-1Mo鋼基礎(chǔ)上通過加入Nb、V、N等合金元素而形成的新型耐熱鋼，其使用溫度小于585℃。T/P92和E911是在T/P91耐熱鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型耐熱鋼，其中T/P92是在T/P91的基礎(chǔ)上通過加入1.5~2.0%W代替部分Mo元素，Mo元素含量下降到0.3~0.6%而形成，E911是在T/P91的基礎(chǔ)上加入0.9~1.1%W而形成，它們的使用溫度可升高到630℃。這些9%Cr鋼具有良好的力學(xué)性能。T/P122是新型的12%Cr耐熱鋼，由于Cr含量的增大，在加工制造工程中更容易出現(xiàn)δ鐵素體，通常加入1%的Cu來抑制這種有害組織的形成，這種鋼的抗氧化性較好。馬氏體鋼的下一步發(fā)展是在這些鋼的基礎(chǔ)上加入Co、B等合金元素來進(jìn)一步提高抗蠕變性能和抗氧化性能。雖然這些鋼的抗蠕變和抗氧化性能較好，但

314 在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，如果沒有合適的焊接工藝來保證，這些鋼的優(yōu)越性也難以發(fā)揮出來。2.1 新型馬氏體耐熱鋼焊接性分析

新型馬氏體耐熱鋼一般通過控軋控冷工藝制造，在焊接過程中，焊縫金屬沒有這種控軋控冷的機(jī)會，很難通過細(xì)晶強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化來改善焊接接頭的性能，故焊接接頭的性能和母材之間存在一定的差異。這些馬氏體耐熱鋼焊接接頭劣化的方式主要有： 2.1.1焊接接頭的脆化

馬氏體耐熱鋼焊接接頭的脆化主要有粗晶組織引起的脆化和淬硬組織引起的脆化兩種脆化方式。焊縫金屬晶粒粗大是由于在焊接過程中，奧氏體化時間較長，晶粒長大速度較快，且在焊接過程中不像母材生產(chǎn)過程中有控軋控冷的機(jī)會形成的。故在焊接過程中應(yīng)使用較低的焊接線能量。由于這些鋼的合金元素含量較高，焊后冷卻速度控制不當(dāng)就會導(dǎo)致淬硬組織的形成，從而導(dǎo)致焊接接頭的脆化。故可采取預(yù)熱的方法來解決這一問題。2.1.2熱影響區(qū)的軟化

馬氏體耐熱鋼的供貨狀態(tài)為正火＋回火，即調(diào)質(zhì)處理。焊接時，在細(xì)晶熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)將會產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。造成這一現(xiàn)象的主要原因是焊接時，細(xì)晶熱影響區(qū)的所經(jīng)受的溫度稍高于Ac3，臨界熱影響區(qū)所經(jīng)受的溫度在Ac1~Ac3之間，處于這一溫度區(qū)間的金屬發(fā)生部分奧氏體化，沉淀強(qiáng)化相在這一過程中不能夠完全溶解在奧氏體中，在隨后的熱過程中未溶解的沉淀相發(fā)生粗化，造成這一區(qū)域的強(qiáng)度降低。軟化對短時高溫拉伸強(qiáng)度影響不大，但降低持久強(qiáng)度，長期高溫運(yùn)行后，在軟化區(qū)常常會產(chǎn)生Ⅳ型裂紋。焊接線能量、預(yù)熱溫度對軟化帶影響較大，焊接線能量大預(yù)熱溫度高，軟化區(qū)寬。所以，焊接線能量不宜大，預(yù)熱溫度不能高，軟化區(qū)寬度越窄，其拘束強(qiáng)化作用越強(qiáng)，軟化帶的影響越小。2.1.3焊接冷裂紋

冷裂紋是在焊后冷卻過程中在Ms點(diǎn)以下或更低的溫度范圍內(nèi)形成的一種裂紋，又稱延遲裂紋。產(chǎn)生這種裂紋的三要素為淬硬組織、氫元素和應(yīng)力。馬氏體耐熱鋼焊接冷卻過程控制不當(dāng)往往形成淬硬組織，這一組織會導(dǎo)致裂紋的形成。焊接過程中氫主要來源于母材和焊條，氫的含量越高越易聚集形成裂紋，制造、安裝中一般選用低氫型焊條且制訂了嚴(yán)格的烘培和保溫工藝就是這個原因。拉應(yīng)力也是產(chǎn)生冷裂紋的一個主要因素，在焊接過程中應(yīng)盡量減少拘束度，防止產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力。

理想的焊接工藝是采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┍ＷC在焊接過程中不產(chǎn)生裂紋，減少脆化、軟化等問題，同時還要保證全馬氏體組織的形成，滿足焊接接頭的質(zhì)量要求。2.2 新型馬氏體耐熱鋼焊接接頭的化學(xué)成分

新型馬氏體耐熱鋼的焊接所選用的焊接材料一般是與之匹配的焊接材料。下面簡要地闡述一下這些鋼焊接接頭的化學(xué)成分。2.2.1 T/P91鋼[5]

對于T/P91鋼，為保證焊接接頭足夠的韌性，應(yīng)對焊接接頭中的合金元素含量進(jìn)行控制。Nb元素對沖擊韌性的影響較大，焊接接頭中Nb的含量一般不低于0.04%，Nb的含量設(shè)計(jì)為0.04~0.07%。Ni能夠有效改善焊接接頭的沖擊韌性，對Ni含量的適當(dāng)控制是有益的，這是由于以下兩個方面的原因決定的。第一、它降低了Ac1點(diǎn)，使得Ac1與PWHT（焊后熱處理）溫度接近，改善了回火性能。第二、它減少了δ鐵素體形成的傾向，δ鐵素體的存在對焊接

[4]

315 接頭的性能是不利的?？墒钱?dāng)Ni含量＞1%時，這種元素將會產(chǎn)生一定的副作用，它使得Ac1降低幅度較大，PWHT溫度超過了Ac1，PWHT時，發(fā)生奧氏體化，在隨后的冷卻過程中形成未回火的馬氏體組織。長期服役過程中，過量的Ni還會改變沉淀相的變化發(fā)展過程，惡化蠕變性能，故Ni的含量一般控制在0.4~1.0%。V、C、N等對焊縫金屬韌性的影響不大。Mn含量較母材為高，主要目的是為了脫氧，保證形成合適的焊縫金屬?？墒且恍＜艺J(rèn)為Mn+Ni的含量最大不超過1.5%，以防止它們過多降低Ac1。在這個限制條件下，為保證脫氧Mn含量較高，Ni的含量可減少到0.5%。Si也是一種有效的脫氧劑，與Cr共同作用可提高這種鋼的抗氧化性。盡管有一些規(guī)范規(guī)定焊縫金屬的Si含量和P91母材一致，但降低Si的含量有助于韌性的改善，在這一點(diǎn)上，AWS規(guī)定焊材中Si的含量不高于0.30%，低于母材中Si的含量。2.2.2 T/P92鋼[6-7]

T/P92馬氏體鋼的韌性水平較T/P91低，蠕變強(qiáng)度較高，對于它們的填充金屬一般要求SMAW、SAW焊接時要保證室溫沖擊韌性CVN＞41J。試驗(yàn)已經(jīng)證明，使用和T/P92相同化學(xué)成分的焊材將會導(dǎo)致焊接接頭韌性和蠕變強(qiáng)度的降低，尤其對SAW，這種情況更為嚴(yán)重。這樣以來必須對每種合金元素的作用以及合金元素之間的相互作用進(jìn)行研究，以確定合適的焊材成分，同時最為重要的是對N、Ni、Mn、Co和B含量進(jìn)行優(yōu)化。C、N化合物的形成以及元素B對蠕變斷裂強(qiáng)度有著重要的影響，它們的加入增加了材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但降低了塑性和韌性。Mn和Ni對強(qiáng)度的影響不大，但是，Mn和Ni的含量超過基體金屬的上限能夠顯著改善焊接接頭的韌性，同時降低Ac1，一般它們的極限值由Ac1來確定。Mn和Ni的含量一般＜1.5%，同時可以用Co來代替部分Ni。為了避免δ鐵素體的生成，應(yīng)適當(dāng)控制W的含量。B能夠提高蠕變強(qiáng)度，但降低焊接接頭的韌性，成分含量應(yīng)控制在基體金屬下限左右。V、Nb、Co對韌性不利，同時易導(dǎo)致熱裂紋，因此其含量也應(yīng)控制在下限左右。除了這些元素的影響，也應(yīng)考慮Ti、Al氮化物的影響。2.2.3 E911和T/P122鋼[5]

E911鋼的化學(xué)成分和T/P92鋼相似，其焊接接頭化學(xué)成分的分析可參照T/P92鋼的成分分析。對于T/P122鋼，由于其合金元素含量較高，焊接時，容易在焊接接頭中產(chǎn)生δ鐵素體。這兩種鋼焊接接頭成分的分析均可借鑒T/P91鋼和T/P92鋼的分析方法。Nb元素對沖擊韌性的影響較大，Ni對沖擊韌性的改善有利，但同時Ni還降低Ac1，故其含量不易太大。Mn和Si是有效的脫氧劑，合適的含量對于改善焊接接頭的性能有利。2.3 新型馬氏體耐熱鋼焊接接頭的組織

這些新型馬氏體耐熱鋼顧名思義可知其組織包括焊接接頭的組織均為馬氏體。焊接接頭是一個不均勻體，對于不同的區(qū)域，因經(jīng)歷的熱過程不同，導(dǎo)致微觀組織不同，例如馬氏體板條的位向、大小、原奧氏體晶粒度、碳化物的類型、形狀、分布等在BM、HAZ、WM的分布有或大或小的差異，當(dāng)然其力學(xué)性能也有區(qū)別，如WM和BM的硬度、強(qiáng)度高于FG、ICHAZ，長期運(yùn)行容易在FG、ICHAZ形成IV型損傷等。下面以T/P92鋼為例介紹一下這種馬氏體耐熱鋼焊接接頭的組織。

圖1給出了T/P92焊接接頭的宏觀和微觀組織形貌。宏觀形貌為均勻的多層焊縫金屬和回火的HAZ組成，HAZ寬度為2~3mm。

圖2給出了T/P92焊接接頭焊縫金屬的TEM像，可以看出在焊態(tài)下，組織為典型的回火

[8]

316 馬氏體＋M23C6顆粒在原奧氏體晶界和亞晶界處的彌散分布，偶爾可以看到島狀的δ鐵素體，這種δ鐵素體處在M23C6顆粒的包圍之中。PWHT后，組織發(fā)生了相當(dāng)大的回復(fù)，但馬氏體結(jié)構(gòu)和M23C6顆粒在焊縫晶界的分布清晰可見，如圖2b所示。

在T/P92焊接接頭的細(xì)晶熱影響區(qū)（FGHAZ），焊態(tài)下，發(fā)現(xiàn)了薄弱的回火馬氏體組織，馬氏體板條不清晰，M23C6顆粒的分布也不夠均勻，如圖3a所示。PWHT后可以觀察到亞晶以及低密度位錯的存在，其中部分亞晶已發(fā)生了多邊化，如圖3b所示。

圖1 P92焊接接頭在PWHT后的宏觀和微觀組織形貌

2.4 新型馬氏體耐熱鋼焊接接頭的力學(xué)性能

T/P91、T/P92（NF616）、E911、T/P122（HCM12A）焊接接頭合金元素含量較高，這些合金元素具有固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用，焊接接頭的力學(xué)性能水平較高。在室溫橫向焊接

317 圖2 P92焊接接頭焊縫金屬的TEM像ａ）焊態(tài) ｂ）PWHT

圖3 P92焊接接頭HAZ的TEM像ａ）焊態(tài) ｂ）PWHT 接頭拉伸試驗(yàn)時斷裂發(fā)生在母材上，可以認(rèn)為室溫下母材的強(qiáng)度低于焊接接頭。高溫下的蠕變性能有所差別，下面給出了母材和焊縫金屬的高溫蠕變性能。2.4.1 母材的蠕變性能

圖4給出了不同鋼種在100MPa下運(yùn)行100000h的使用溫度范圍。可以看出新型馬氏體耐熱鋼的使用溫度已超過了600℃，且這些新型高Cr鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度與奧氏體鋼相當(dāng)。圖中雖然沒有給出T/P122鋼在同一條件下的使用溫度，但是相關(guān)資料已證實(shí)這種鋼的使用性能優(yōu)于T/P92鋼，其抗氧化性較好，T/P122鋼的使用溫度也可在600℃以上。這些新型馬氏體耐熱鋼優(yōu)越具有很好的抗蠕變性能和耐蝕性，能夠減少部件的厚度，提高使用溫度。2.4.2 焊縫金屬的蠕變性能

許多試驗(yàn)業(yè)已證明這些新型耐熱鋼焊接接頭的高溫失效位置主要在焊接接頭的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱區(qū)域，這主要與其所經(jīng)受的熱過程有關(guān)。對于焊縫金屬，一些試驗(yàn)結(jié)果表明采用匹配焊接材料使得焊縫金屬的高溫（600℃、650℃）蠕變斷裂強(qiáng)度均低于母材。對于T/P91、T/P92、E911鋼采用匹配焊接材料焊接時可以得出以下結(jié)論：

1)焊縫金屬的蠕變斷裂強(qiáng)度低于母材。

2)隨著試驗(yàn)持久時間的增加，焊縫金屬的蠕變斷裂強(qiáng)度與母材的差距越來越大。新型馬氏體耐熱鋼的橫向焊接接頭高溫蠕變試驗(yàn)的失效位置在HAZ的外側(cè)，即靠近母材的HAZ，一般稱之為細(xì)晶熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)。這一區(qū)域在焊接過程中發(fā)生部分奧氏體化，大多數(shù)C、N化合物沉淀析出，PWHT時發(fā)生再結(jié)晶。由于缺少C、N等晶內(nèi)強(qiáng)化元素，從而使這一區(qū)域的馬氏體組織發(fā)生軟化。在這一軟化區(qū)域經(jīng)常發(fā)生IV型損傷，以前的經(jīng)驗(yàn)表明在

[5][9]

318 圖4 不同材料在100MPa/100000h下的最大使用溫度

所有的CrMo耐熱鋼中均存在這種現(xiàn)象。由焊接接頭的硬度測量也可知道這一區(qū)域的硬度比母材和焊縫金屬也低許多，一般情況下這種差距約在30HV左右。

橫向焊接接頭在高溫低應(yīng)力下發(fā)生的IV型損傷是CrMo鋼的一個典型特征，然而在低溫高應(yīng)力短時持久試驗(yàn)下，焊接接頭的失效發(fā)生在母材處。從目前的電站使用經(jīng)驗(yàn)看這種焊接接頭的主要損傷還是IV型損傷，可見焊縫金屬的蠕變性能對焊接接頭的壽命影響不大，除非它和IV型損傷區(qū)共同作用。一些專家接受了這個觀點(diǎn)。同時，也存在其它兩種關(guān)于焊縫金屬對焊接接頭性能影響的觀點(diǎn)，特別是焊縫金屬的優(yōu)化可以延遲IV型損傷的發(fā)生，這兩種觀點(diǎn)都認(rèn)為焊縫金屬的蠕變強(qiáng)度將影響蠕變量在焊接接頭不同區(qū)域的分布。一種觀點(diǎn)是降低焊縫金屬的強(qiáng)度，使其與IV型區(qū)的強(qiáng)度相當(dāng)。另一種觀點(diǎn)是擴(kuò)大焊接接頭熔合區(qū)的寬度，這一區(qū)域的強(qiáng)度和母材相當(dāng)，以減少IV型區(qū)的蠕變量，延長使用壽命。

普遍認(rèn)為焊接接頭的失效模式受控于HAZ，但是目前關(guān)于焊縫金屬的選擇是否能夠延遲損傷或延長部件的使用壽命并沒有統(tǒng)一的觀點(diǎn)。2.5 焊縫金屬的韌性

新型馬氏體耐熱鋼焊接時如果焊接參數(shù)選用不當(dāng)，很容易產(chǎn)生粗大的馬氏體、沒有回火的馬氏體，還有可能形成δ鐵素體等，這些組織都對焊接接頭的韌性不利。雖然高溫時接頭的脆性斷裂是不可能的，但考慮水壓試驗(yàn)、檢修等因素，通常對焊接接頭的室溫沖擊韌也有要求。影響焊接接頭的室溫沖擊韌性的因素如下： 2.5.1 接方法的影響

焊接方法將對焊接接頭的韌性有著重要的影響。采用GTAW氬氣保護(hù)焊，以及使用固體焊絲和金屬芯焊絲（MCW）可是使焊接接頭在PWHT后獲得較高的室溫沖擊韌性。韌性與氧含量有關(guān)，GTAW(氧含量100～200ppm)＜SMAW、SAW(氧含量400～800ppm),TIG焊的韌性比SMAW和SAW的好。[5]

319 2.5.2 化學(xué)成分的影響

一般情況下，能夠改善蠕變性能的元素均惡化焊縫金屬的韌性，例如Nb、V、N和Si等，其中N和Si的影響較小。能夠抑制δ鐵素體形成，保證獲得全馬氏體組織的合金元素對焊縫金屬的蠕變性能和韌性均有利。2.5.3后熱處理的影響

焊后熱處理的目的是降低焊接殘余應(yīng)力和改善組織性能。為了保證焊接接頭的韌性，焊后熱處理的回火作用是非常重要的，它可以使焊接接頭獲得完全回火的馬氏體組織。實(shí)際應(yīng)用時涉及到回火溫度和時間的選擇。2.5.4 其它因素的影響

焊接過程中發(fā)生的晶粒細(xì)化對焊接接頭的韌性也有一定的影響。此外，焊層厚度、焊接時的對口以及焊接環(huán)境等也對接頭的韌性有一定的影響。焊層厚度薄，韌性較高。

對于焊縫金屬，不同的標(biāo)準(zhǔn)對其室溫（＋20℃）沖擊韌性有著不同的要求。對于T/P91鋼焊縫金屬，AWS沒有對其室溫（＋20℃）沖擊韌性做出要求，但在非強(qiáng)制性的附錄A5.5-96中建議這種鋼焊接接頭的沖擊韌性可由廠商和顧客協(xié)商確定。在歐洲的EN 1599:1997中規(guī)定了這種鋼焊縫金屬的室溫（＋20℃）沖擊韌性最小值不得低于38J，平均值不得低于41J。這些值與專家們提出的PWHT后室溫（＋20℃）沖擊韌性在35~50J之間是一致的。超超臨界機(jī)組鍋爐用新型奧氏體耐熱鋼的焊接[10-11]

鑒于高溫過熱器（SH）和高溫再熱器（RH）的蒸汽參數(shù)較高，在設(shè)計(jì)時必須充分考慮其煙氣側(cè)腐蝕和蒸汽側(cè)氧化的性能。一般的鐵素體耐熱鋼雖然強(qiáng)度上能夠滿足SH/RH的要求，但其抗煙氣側(cè)腐蝕和蒸汽側(cè)氧化的性能較差，不利于機(jī)組的安全可靠的運(yùn)行，所以在SH/RH設(shè)計(jì)時，一般可采用奧氏體不銹鋼。目前超超臨界機(jī)組SH/RH的主要設(shè)計(jì)材料為TP347HFG、Super304、HR3C等。這些材料的合金含量如Cr、Ni等較鐵素體耐熱鋼有著很大的提高。為了保證焊接接頭和母材具有較佳的匹配性，焊接材料的選取也必須為奧氏體型焊接材料。奧氏體耐熱鋼由于熱膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性能差，在焊接和使用過程中易出現(xiàn)下列問題： 3.1 晶間腐蝕

晶間腐蝕是奧氏體耐熱鋼一種極其危險(xiǎn)的破壞形式。它的特點(diǎn)是沿晶界開始腐蝕，從表面上看，一般不容易發(fā)覺,但它使承壓管道焊接接頭的力學(xué)性能顯著下降和容易發(fā)生早期破壞。根據(jù)“碳化物析出造成晶間貧鉻”理論,在450～850℃范圍內(nèi)，C和Cr易在奧氏體晶粒邊界處形成碳化鉻,使得晶粒邊界處局部貧鉻。晶界處的含Cr量被降低到小于12%，鋼材因此喪失了耐腐蝕性能。另外，F(xiàn)e－Cr合金在400～550℃長期加熱時，會產(chǎn)生一種特殊的脆性,其硬度顯著提高，沖擊韌性嚴(yán)重下降,稱為475℃脆性。而在實(shí)際焊接過程中經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，焊接接頭往往是在400～550℃這個溫度區(qū)間停留的時間最長，所以對475℃脆性這個問題需要多加關(guān)注。3.2 應(yīng)力腐蝕裂紋

應(yīng)力腐蝕裂紋（stress corrosion cracking 簡稱SCC）是應(yīng)力和腐蝕聯(lián)合作用引起的一種低應(yīng)力脆性裂紋。奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性差，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度較大的情況下，焊接變形受到約束，焊后構(gòu)件特別是焊接接頭存在較大的焊接殘余應(yīng)力，而奧氏體耐熱

320 鋼的組織特征和腐蝕介質(zhì)的存在，滿足了產(chǎn)生SCC的充要條件，從而使奧氏體不銹鋼產(chǎn)生SCC的傾向較大。奧氏體耐熱鋼的SCC有晶間、晶內(nèi)和晶間/晶內(nèi)混合等三種形式，但是以晶間SCC最常見。3.3 熱裂紋

熱裂紋主要有結(jié)晶裂紋和液化裂紋兩種形式，結(jié)晶裂紋是在結(jié)晶后期，由于低熔點(diǎn)共晶形成的液態(tài)薄膜消弱了晶粒間的聯(lián)系，在拉應(yīng)力作用下發(fā)生開裂的裂紋；液化裂紋是指近縫區(qū)或多層間部位在熱循環(huán)的作用下被金屬重新熔化，在拉伸力的作用下，沿奧氏體晶界開裂的裂紋。3.4 再熱裂紋

由于奧氏體不銹鋼熱膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱率低，故在焊接時接頭附近的溫度場和變形量極不均勻，導(dǎo)致很大的殘余應(yīng)力。在隨后的PWHT（SR）或者高溫服役時，殘余應(yīng)力的釋放以及應(yīng)力集中會使晶界的塑性變形較大，從而產(chǎn)生裂紋。這種裂紋一般出現(xiàn)在粗晶HAZ區(qū)，屬沿晶裂紋，在粗晶區(qū)易于擴(kuò)展，擴(kuò)展一旦遇到細(xì)晶組織即停止。

奧氏體不銹鋼焊縫熱影響區(qū)的劃分不像鐵素體鋼，盡管微觀組織的變化如晶粒長大、溶質(zhì)的析出以及距熔合線０－５ｍｍ區(qū)域的碳化物分布的變化，但是并沒有相變發(fā)生，由于大的熱膨脹系數(shù)和低的熱傳導(dǎo)率，在與焊縫連接的母材中存在較大的塑性變形。這個應(yīng)變影響區(qū)SAZ（strain affected zone）與焊接參數(shù)（如焊條直徑、電流/電壓以及電極的擺動幅度等）有關(guān)，能夠擴(kuò)展到距熔合線約２５ｍｍ處。

穩(wěn)定化奧氏體鋼如TP321和TP347中的再熱裂紋是一個長期形成的過程。焊后冷卻過程中碳化物在母材位錯處的沉淀析出，導(dǎo)致晶內(nèi)強(qiáng)化，晶界區(qū)域的蠕變集中以及后來形成的低塑性晶間裂紋。TP316由于沒有強(qiáng)碳化物形成元素和相對高的蠕變塑性，一度被認(rèn)為對于再熱裂紋是免疫的?？墒?，在SAZ中存在復(fù)雜的多軸殘余應(yīng)力，與單軸應(yīng)力相比，塑性大量下降。在英國能源電站的TP３１６鋼焊接接頭中曾出現(xiàn)過再熱裂紋。以上提及的再熱裂紋部分地歸因于大零件的壁厚，其具有大的拘束。

對于奧氏體鋼，再熱裂紋發(fā)生在接近熔合線到距熔合線幾毫米范圍內(nèi)，經(jīng)常出現(xiàn)在最后一層焊道之下?？墒菍τ诤癖诨蚪Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，再熱裂紋也存在于SAZ中。3.5 疲勞裂紋

由于機(jī)組的頻繁啟停，容易在設(shè)備的高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋，疲勞裂紋很難被發(fā)現(xiàn)，但其危害性極強(qiáng)。焊接接頭存在缺陷（氣孔、夾渣、夾鎢、未熔合等）的區(qū)域容易形成疲勞源。

通過對奧氏體不銹鋼焊接接頭的大量等溫疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)奧氏體鋼存在兩個奧氏體－鐵素體脆性轉(zhuǎn)變溫度范圍：350－550℃及550－950℃，Broek認(rèn)為產(chǎn)生疲勞裂紋的因素主要有兩點(diǎn)，即碳、氮、鉻磷化物、鉻氧化物、σ相和其它中間相的共同沉淀作用；無任何沉淀相，但有復(fù)雜鉻化物的形成，容易造成晶格扭曲和晶間硬化作用。

碳化物和脆性沉淀相的含量低于6%時，疲勞裂紋的擴(kuò)展速度不會超過正常狀態(tài)下的兩倍；但當(dāng)Laves相、σ相和碳化物的含量超過7%時，疲勞裂紋的擴(kuò)展速度會超過正常狀態(tài)下的五倍，；當(dāng)σ相和碳化物的含量高于6%時，疲勞裂紋的擴(kuò)展速度不是很穩(wěn)定。

321 4 結(jié)束語

電站高溫焊接接頭的完整性對于電站的安全運(yùn)行有著重要的影響，由于焊接接頭的組織性能不均勻，導(dǎo)致焊接接頭在運(yùn)行過程中產(chǎn)生應(yīng)力的再分配和蠕變應(yīng)變在軟化區(qū)域的集中，使得這一區(qū)域有著早期失效的傾向。

1)有焊接接頭的HAZ性能較差，相對來說它們是安全的薄弱部位。

2)對于馬氏體耐熱鋼主要存在的問題有焊接接頭的脆化、熱影響區(qū)的軟化、焊接冷裂紋和長時服役時產(chǎn)生的IV型裂紋等。

3）對于奧氏體耐熱鋼主要存在的問題有焊接接頭中的晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、熱裂紋、再熱裂紋和疲勞裂紋等。

超超臨界機(jī)組鍋爐中的一些新型耐熱鋼在我國沒有使用經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)引起重視，在下面幾個方面加強(qiáng)研究，以保障我國超超臨界機(jī)組鍋爐的制造、安裝質(zhì)量，確保超超臨界機(jī)組的安全運(yùn)行。

1）新型耐熱鋼的合金化原理、冶金特點(diǎn)； 2）新型耐熱鋼的常溫及高溫性能；

3）新型耐熱鋼的焊接性及焊接工藝、焊后熱處理工藝和異種鋼焊接工藝； 4)新型耐熱鋼的熱加工性能及工藝；

5)新型耐熱鋼服役后組織、性能的變化規(guī)律及壽命評估。

參考文獻(xiàn)：

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[11]趙健倉，曾富強(qiáng)，何海等．國產(chǎn)300MW火電機(jī)組安裝工程焊接技術(shù)[M]．陜西.西北電力建設(shè)第一工程公司焊接培訓(xùn)中心，2001:29-40.作者簡介

范長信，1962年出生，研究生，碩士，教授級高工，國際焊接工程師。長期從事電站金屬技術(shù)監(jiān)督、電站材料焊接研究和電站鍋爐壓力容器檢驗(yàn)工作。

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322

第四篇：1000MW超超臨界直接空冷機(jī)組可行性與經(jīng)濟(jì)性探討

1000MW超超臨界直接空冷機(jī)組可行性與經(jīng)濟(jì)性探討

[摘要]論述了我國大容量超超臨界機(jī)組技術(shù)以及大容量直接空冷機(jī)組技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。通過對國內(nèi)大型汽輪機(jī)制造廠1000MW超超臨界汽輪機(jī)和600MW空冷汽輪機(jī)型式和特點(diǎn)的分析，提出了1000MW超超臨界空冷汽輪機(jī)可由1000MW超超臨界汽輪機(jī)的高中壓缸模塊及600MW二缸二排汽空冷汽輪機(jī)低壓缸模塊組合而成，并對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了論述，同時提出了1000MW超超臨界空冷機(jī)組設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮及需進(jìn)一步研究的問題。

[關(guān)鍵詞]汽輪機(jī)，1000MW，超超臨界機(jī)組，空冷，可行性，經(jīng)濟(jì)性

0、引言

隨著《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》及《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》的確定和實(shí)施，電源建設(shè)將向節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)方向發(fā)展?；谶@種發(fā)展趨勢，結(jié)合中國“貧油少氣多煤”的一次能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了我國燃煤電廠在很長一段時間內(nèi)將占居我國電力的較大份額，而超臨界和超超臨界技術(shù)在機(jī)組效率上又有著無可爭議的優(yōu)勢，對于節(jié)約燃煤有著明顯的效果。我國缺水的資源狀況決定了節(jié)約用水在燃煤電廠建設(shè)中的重要性，而大型空冷機(jī)組技術(shù)又是火力發(fā)電廠頗為有效的一項(xiàng)節(jié)水技術(shù)。隨著大型超超臨界機(jī)組技術(shù)和大型空冷機(jī)組技術(shù)的不斷發(fā)展，能否將2種技術(shù)有效地融合，形成超超臨界空冷機(jī)組，在節(jié)約用水的同時節(jié)約燃料，這是我們需要研究和考慮的問題。

1、我國超超臨界機(jī)組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

超(超)臨界發(fā)電技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已是世界上先進(jìn)、成熟和進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行的潔凈煤發(fā)電技術(shù)之一，在世界上不少國家推廣應(yīng)用并取得了明顯的節(jié)能和改善環(huán)境的效果。目前一些國家已經(jīng)公布了發(fā)展下階段超超臨界機(jī)組的計(jì)劃，主蒸汽壓力將提高到35～40MPa，主蒸汽溫度將提高到700t，再熱汽溫提高到720℃，機(jī)組的供電效率將達(dá)到50%～55%。

我國超(超)臨界機(jī)組起步較晚，但發(fā)展十分迅速。隨著華能沁北電廠超臨界機(jī)組國產(chǎn)化的實(shí)踐，中國超臨界機(jī)組的發(fā)展進(jìn)入了一個嶄新的階段，目前，國內(nèi)有數(shù)十臺超臨界機(jī)組已經(jīng)或即將投入商業(yè)運(yùn)行。超臨界機(jī)組的建設(shè)模式又為國產(chǎn)超超臨界機(jī)組的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，目前華能玉環(huán)電廠2×1000MW超超臨界機(jī)組及華電國際鄒縣發(fā)電廠四期工程2×1000MW超超臨界機(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)行。這些電廠的成功運(yùn)行，標(biāo)志著我國大容量超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行進(jìn)入一個嶄新的階段。

第五篇：1000MW超超臨界直接空冷機(jī)組可行性與經(jīng)濟(jì)性探討

1000MW超超臨界直接空冷機(jī)組可行性與經(jīng)濟(jì)性探討

[摘要]論述了我國大容量超超臨界機(jī)組技術(shù)以及大容量直接空冷機(jī)組技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。通過對國內(nèi)大型汽輪機(jī)制造廠1000MW超超臨界汽輪機(jī)和600MW空冷汽輪機(jī)型式和特點(diǎn)的分析，提出了1000MW超超臨界空冷汽輪機(jī)可由1000MW超超臨界汽輪機(jī)的高中壓缸模塊及600MW二缸二排汽空冷汽輪機(jī)低壓缸模塊組合而成，并對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了論述，同時提出了1000MW超超臨界空冷機(jī)組設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮及需進(jìn)一步研究的問題。

[關(guān)鍵詞]汽輪機(jī)，1000MW，超超臨界機(jī)組，空冷，可行性，經(jīng)濟(jì)性

0、引言

隨著《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》及《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》的確定和實(shí)施，電源建設(shè)將向節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)方向發(fā)展?；谶@種發(fā)展趨勢，結(jié)合中國“貧油少氣多煤”的一次能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了我國燃煤電廠在很長一段時間內(nèi)將占居我國電力的較大份額，而超臨界和超超臨界技術(shù)在機(jī)組效率上又有著無可爭議的優(yōu)勢，對于節(jié)約燃煤有著明顯的效果。我國缺水的資源狀況決定了節(jié)約用水在燃煤電廠建設(shè)中的重要性，而大型空冷機(jī)組技術(shù)又是火力發(fā)電廠頗為有效的一項(xiàng)節(jié)水技術(shù)。隨著大型超超臨界機(jī)組技術(shù)和大型空冷機(jī)組技術(shù)的不斷發(fā)展，能否將2種技術(shù)有效地融合，形成超超臨界空冷機(jī)組，在節(jié)約用水的同時節(jié)約燃料，這是我們需要研究和考慮的問題。

1、我國超超臨界機(jī)組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

超(超)臨界發(fā)電技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已是世界上先進(jìn)、成熟和進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行的潔凈煤發(fā)電技術(shù)之一，在世界上不少國家推廣應(yīng)用并取得了明顯的節(jié)能和改善環(huán)境的效果。目前一些國家已經(jīng)公布了發(fā)展下階段超超臨界機(jī)組的計(jì)劃，主蒸汽壓力將提高到35～40MPa，主蒸汽溫度將提高到700t，再熱汽溫提高到720℃，機(jī)組的供電效率將達(dá)到50%～55%。

我國超(超)臨界機(jī)組起步較晚，但發(fā)展十分迅速。隨著華能沁北電廠超臨界機(jī)組國產(chǎn)化的實(shí)踐，中國超臨界機(jī)組的發(fā)展進(jìn)入了一個嶄新的階段，目前，國內(nèi)有數(shù)十臺超臨界機(jī)組已經(jīng)或即將投入商業(yè)運(yùn)行。超臨界機(jī)組的建設(shè)模式又為國產(chǎn)超超臨界機(jī)組的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，目前華能玉環(huán)電廠2×1000MW超超臨界機(jī)組及華電國際鄒縣發(fā)電廠四期工程2×1000MW超超臨界機(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)行。這些電廠的成功運(yùn)行，標(biāo)志著我國大容量超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行進(jìn)入一個嶄新的階段。

2、我國大容量直接空冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

自1938年空冷技術(shù)首次在發(fā)電廠應(yīng)用以來，經(jīng)過60多年的發(fā)展，空冷技術(shù)日趨完善，空冷機(jī)組單機(jī)容量不斷增大。1978年，美國懷俄達(dá)克電廠360MW直接空冷機(jī)組投運(yùn)；1987年，南非馬丁巴電廠6×665MW直接空冷機(jī)組投運(yùn)；1988年，南非肯達(dá)爾電廠6×686MW間接空冷機(jī)組投運(yùn)。在我國，已有一批300MW和600MW亞臨界直接空冷機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行。2004年，中國電力工程顧問集團(tuán)公司通過通遼電廠1x600MW空冷機(jī)組，組織東北電力設(shè)計(jì)院、西北電力設(shè)計(jì)院、華北電力設(shè)計(jì)院及哈爾濱空調(diào)器廠對空冷系統(tǒng)國產(chǎn)化進(jìn)行了技術(shù)研究，并將研究成果成功地應(yīng)用于工程項(xiàng)目之中，通遼電廠將于2007年投入運(yùn)行。華能銅川電廠

2x600MW機(jī)組等電廠也采用國產(chǎn)化直接空冷技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)。這標(biāo)志著我國空冷汽輪機(jī)及空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和運(yùn)行水平已經(jīng)邁上新的臺階。隨著超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的掌握以及超臨界機(jī)組的投入運(yùn)行，超臨界技術(shù)與空冷技術(shù)的結(jié)合已成為現(xiàn)實(shí)，目前也有數(shù)個600MW超臨界空冷機(jī)組電廠在設(shè)計(jì)和建設(shè)中。

3、1000MW超超臨界直接空冷技術(shù)可行性探討

3.1、鍋爐

空冷汽輪機(jī)與濕冷汽輪機(jī)在進(jìn)汽量要求上的差異，1000MW超超臨界空冷機(jī)組所配的鍋爐蒸發(fā)量比同容量超超臨界濕冷機(jī)組所配的鍋爐蒸發(fā)量略大，其他的技術(shù)要求如鍋爐型式、爐膛容積熱負(fù)荷、斷面熱負(fù)荷、燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷、燃燒器布置、水冷壁形式、受熱面布置形式、各受熱面材料選擇、鍋爐啟動系統(tǒng)的配置以及鍋爐控制系統(tǒng)等均與超超臨界濕冷機(jī)組所配的鍋爐一樣。因此，超超臨界空冷機(jī)組所配的鍋爐在技術(shù)上是成熟和可行的。

3.2、汽輪機(jī)

1000MW超超臨界直接空冷機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備之一在于汽輪機(jī)，由于其具有進(jìn)口參數(shù)高、排汽背壓高且隨環(huán)境溫度變化幅度大等特點(diǎn)，使其高中壓缸具備濕冷1000MW超超臨界汽輪機(jī)高中壓缸的基本特性，而低壓缸具備空冷亞臨界汽輪機(jī)低壓缸的基本特性，可采用多個600MW空冷汽輪機(jī)低壓缸模塊組合而成。對于高中壓缸，通過近幾年超超臨界機(jī)組技術(shù)的引進(jìn)、消化和吸收，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)均已基本成熟。對于600MW空冷機(jī)組低壓缸，目前國產(chǎn)空冷機(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)行，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)也已經(jīng)成熟。而超超臨界空冷汽輪機(jī)的主要問題在于將超超臨界高中壓缸模塊與空冷機(jī)組低壓缸模塊有機(jī)地結(jié)合，對于通流面積、軸系的穩(wěn)定性及末級葉片等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行復(fù)核、計(jì)算和調(diào)整，在技術(shù)上應(yīng)該可以滿足相關(guān)規(guī)范的要求?，F(xiàn)就目前國內(nèi)1000MW超超臨界濕冷汽輪機(jī)和600MW亞臨界空冷汽輪機(jī)的特點(diǎn)及組合進(jìn)行介紹和分析。

東方汽輪機(jī)廠1000MW超超臨界濕冷汽輪機(jī)型式為單軸、一次中間再熱、四缸四排汽型式，高壓缸Ⅱ+8級，中壓缸2×6級，低壓缸2×2×6級，末級葉片1092.2mm。次末級葉片637mm。600MW空冷汽輪機(jī)為沖動式、單軸、一次中間再熱、高中壓合缸，三缸四排汽形式或二缸二排汽，高壓缸8級，中壓缸6級，低壓缸2x2x6級。末級葉片661mm(三缸四排汽)或863／762mm(二缸二排汽)。對于1000MW超超臨界空冷汽輪機(jī)，可選用1000MW超超臨界濕冷汽輪機(jī)的高中壓缸模塊與600MW二缸二排汽空冷汽輪機(jī)的低壓缸模塊進(jìn)行組合，軸系穩(wěn)定性、通流面積及末級葉片等應(yīng)進(jìn)行重新復(fù)核。

哈爾濱汽輪機(jī)廠1000MW超超臨界濕冷汽輪機(jī)型式為單軸、一次中間再熱、四缸四排汽型式，高壓缸11+9級，中壓缸2×7級，低壓缸2×2×6級，末級葉片1219.2mm，次末級葉片637mm。600MW空冷汽輪機(jī)為反動式、單軸、一次中間再熱、高中壓合缸，三缸四排汽形式或二缸二排汽，高壓缸Ⅱ+8級，中壓缸6級，低壓缸2×2×6級，末級葉片620mm(三缸四排汽)或940mm(二缸二排汽)。對于1000MW超超臨界空冷汽輪機(jī)可選用1000MW超超臨界濕冷汽輪機(jī)的高中壓缸模塊與600MW二缸二排汽空冷汽輪機(jī)的低壓缸模塊進(jìn)行組合，軸系穩(wěn)定性、通流面積及末級葉片等應(yīng)進(jìn)行重新復(fù)核。

上海汽輪機(jī)廠1000MW超超臨界濕冷汽輪機(jī)型式為單軸、一次中間再熱、四缸四排汽型式，高壓缸14級，中壓缸2x13級，低壓缸2x2x6級，高中壓缸采用筒形結(jié)構(gòu)，各缸之間采用單軸承支撐，末級葉片1146mm，次末級葉片633.9mm。600MW空冷汽輪機(jī)為單軸、一次中間再熱、高中壓合缸。三缸四排汽型式或二缸二排汽，高壓缸1+9級，中壓缸6級，低壓缸2×2×7級，末級葉片665mm。對于1000MW超超臨界空冷汽輪機(jī)，可選用1000MW超超臨界濕冷汽輪機(jī)的高中壓缸模塊與600MW二缸二排汽空冷汽輪機(jī)的低壓缸模塊進(jìn)行組合，軸系穩(wěn)定性、通流面積及末級葉片等應(yīng)進(jìn)行重新復(fù)核。

對于600MW及1000MW空冷汽輪機(jī)，根據(jù)不同的機(jī)組容量、排汽數(shù)量及設(shè)計(jì)背壓，各制造廠均有不同的末級葉片系列，東方汽輪機(jī)廠末級葉片系列主要有863mm和762mm；哈爾濱汽輪機(jī)廠末級葉片系列主要有620mm、680mm、780Him和940nlm；上海汽輪機(jī)廠末級葉片系列主要有910mm、720mm和665mm。

此外，超超臨界空冷汽輪機(jī)在材料選擇、防固體顆粒侵蝕、防止蒸汽激振等方面采用的原則和措施與超超臨界濕冷汽輪機(jī)是一樣的。

通過以上分析，采用1000MW超超臨界濕冷汽輪機(jī)的高中壓缸模塊與600MW空冷汽輪機(jī)二缸二排汽的低壓缸模塊進(jìn)行組合，可形成四缸四排汽的1000MW超超臨界空冷汽輪機(jī)。

3.3、空冷系統(tǒng)

超臨界機(jī)組空冷系統(tǒng)與亞臨界機(jī)組空冷系統(tǒng)的優(yōu)化、選擇和配置計(jì)算方法是相同的。對于1000MW超超臨界空冷機(jī)組，按照北方某電廠的氣象條件，計(jì)算出空冷凝汽器的散熱面積約為210萬-240萬m?？绽淠鞑贾迷谥鲝S房A排外高架平臺上，平臺高約50m。每臺機(jī)組空冷凝汽器由80-84個冷卻段組成，可排成10列×8行或9列×9行或12列×7行或8列×10行，每列管束設(shè)有順流換熱器風(fēng)機(jī)和逆流換熱器風(fēng)機(jī)。而對于9列×9行和8列×10行的配置方式，需要進(jìn)行環(huán)境風(fēng)影響和風(fēng)機(jī)群效應(yīng)等方面的研究。

3.4、給水系統(tǒng)配置

由于空冷機(jī)組對于氣象條件的敏感性，國內(nèi)外直接空冷機(jī)組大多采用電動給水泵。對于1000MW超超臨界空冷機(jī)組，由于給水壓力要求較高，給水流量也比較大，給水泵軸功率將達(dá)到40000kW左右，對給水泵的驅(qū)動形式應(yīng)進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。若選擇電動驅(qū)動方式，則在選擇單臺電動給水泵容量時，必須要考慮大容量電機(jī)及液力耦合器調(diào)節(jié)范圍的因素。當(dāng)采用汽動給水泵方案時。應(yīng)研究給水泵汽輪機(jī)循環(huán)冷卻水的冷卻方式，應(yīng)保證給水泵汽輪機(jī)有比較穩(wěn)定的背壓。

3.5、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)

超超臨界機(jī)組汽水品質(zhì)要求比亞臨界機(jī)組高，因此，對于超超臨界機(jī)組，對凝結(jié)水進(jìn)行除鐵和陰陽離子交換精處理是保證其汽水晶質(zhì)的重要手段。而對于1000MW超超臨界空冷機(jī)組，由于空冷系統(tǒng)龐大，汽水空間較大，使凝結(jié)水中鐵離子含量較高。另外，空冷系統(tǒng)背壓的變化范圍較大，特別是夏季，氣溫較高時，凝結(jié)水的溫度也較高，將對精處理系統(tǒng)中陰陽樹脂的運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響，因此在選擇夏季滿發(fā)背壓時應(yīng)考慮陰陽樹脂運(yùn)行溫度的限制，同時在選擇凝結(jié)水精處理系統(tǒng)設(shè)置時，應(yīng)充分考慮空冷機(jī)組的特點(diǎn)，采用陰陽分床或粉末樹脂覆蓋過濾器精處理系統(tǒng)等方式，確保凝結(jié)水精處理系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，為鍋爐提供合格的凝結(jié)水。

3.6、空冷裝置的布置協(xié)調(diào)及土建結(jié)構(gòu)問題

目前，我國建設(shè)的直接空冷電廠中，空冷凝汽器均布置于汽機(jī)房A排柱之外。其縱向長度與主廠房長度基本協(xié)調(diào)，如2×300MW機(jī)組主廠房長度為155m，空冷凝汽器為2×(28-32)段，占地約為155m×50m(長×寬)；2×600MW機(jī)組主廠房長度為170-195m，空冷凝汽器一般為2×56段，占地為181.5m×84m(長×寬)，2×300MW和2×600MW機(jī)組主廠房長度與空冷凝汽器的布置基本上是協(xié)調(diào)一致的。而對于2×1000MW機(jī)組，主廠房長度為185-210m，空冷凝汽器占地為283m×82m(12列×7行)或220m×108m(9列X9行)或245m×96m(10列×8行)或195m×120m(8列×10行)，如何協(xié)調(diào)好主廠房與空冷凝汽器之間的布置問題，同時處理好大寬度布置方式環(huán)境風(fēng)影響和風(fēng)機(jī)群效應(yīng)是應(yīng)該考慮的問題。

2在土建結(jié)構(gòu)方面，對于不同的布置形式，需要對空冷支架的結(jié)構(gòu)形式及在不同荷載下的受力、振型、結(jié)構(gòu)頻率、變形、軸壓比的特點(diǎn)和規(guī)律以及柱頂節(jié)點(diǎn)的選用原則等方面的問題進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.7、排汽管道

若1000MW超超臨界空冷機(jī)組的排汽管道采用4根，每根管道的直徑將達(dá)到6000mm左右，管道在主廠房內(nèi)外如何布置以及如何將蒸汽均勻分配給空冷凝汽器是需要考慮的問題。若將4根排汽管道合并為2根，其直徑將達(dá)到約8000mm，管道的加固形式、管道在不同的布置形式和不同荷載組合下的應(yīng)力分布狀況以及管道內(nèi)流體特性狀況等問題，均需通過科學(xué)先進(jìn)的計(jì)算方法以及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證，這一方面也需要做進(jìn)一步的工作。

4、1000MW超超臨界直接空冷機(jī)組經(jīng)濟(jì)性

當(dāng)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)背壓為15kPa時，亞臨界空冷機(jī)組的熱耗率約為8065kJ／(kW·h)。超臨界空冷機(jī)組的熱耗率約為7760kJ／(kW·h)，超超臨界空冷機(jī)組的熱耗率比亞臨界空冷機(jī)組的熱耗值低約6%，熱耗率應(yīng)在7560-7600kJ／(kW·h)。表1為空冷機(jī)組熱耗率比較。

若鍋爐效率按93%、管道效率98%、年利用小時數(shù)按5500h、標(biāo)煤價格按照350元／t計(jì)算，對于2×1000MW超超臨界空冷機(jī)組和3×660MW超臨界空冷機(jī)組，其發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分別計(jì)算如表2所示。

經(jīng)過對同容量超超臨界空冷機(jī)組與超臨界空冷機(jī)組投資估算進(jìn)行比較，2×1000MW超超臨界空冷機(jī)組投資比3×660MW超臨界空冷機(jī)組的投資高31000萬元。雖然2×1000MW超超臨界空冷機(jī)組投資比3×660MW超臨界空冷機(jī)組的投資高，但年標(biāo)準(zhǔn)煤耗低，在同樣的評價因素及一定的標(biāo)準(zhǔn)煤價格下，2×1000MW超超臨界空冷機(jī)組含稅上網(wǎng)電價有可能比3×660MW超臨界空冷機(jī)組的含稅上網(wǎng)電價低。經(jīng)測算，某電廠的2×1000MW超超臨界空冷機(jī)組含稅上網(wǎng)電價比3×660MW超臨界空冷機(jī)組的含稅上網(wǎng)電價低約4元／(MW·h)。

5、結(jié)論及建議

(1)我國1000MW超超臨界機(jī)組技術(shù)和600MW亞臨界二缸二排汽空冷機(jī)組技術(shù)已經(jīng)基本成熟，1000MW超超臨界機(jī)組已投入運(yùn)行，600MW超臨界二缸二排汽空冷機(jī)組已設(shè)計(jì)完成。采用1000MW超超臨界濕冷汽輪機(jī)的高中壓缸模塊與600MW二缸二排汽空冷汽輪機(jī)的低壓缸模塊進(jìn)行組合形成四缸四排汽的1000MW超超臨界空冷機(jī)組，在技術(shù)上是可行的。

(2)將超超臨界技術(shù)與空冷技術(shù)有效地結(jié)合成為超超臨界空冷機(jī)組，在技術(shù)上是可行的，并有較好的節(jié)煤節(jié)水效果，但應(yīng)注意由于其具有進(jìn)口參數(shù)高、排汽背壓高且隨環(huán)境溫度變化幅度大等特點(diǎn)，汽輪機(jī)本體通流面積、低壓缸末級葉片及排汽面積的選擇、軸系穩(wěn)定性的計(jì)算以及與其相關(guān)的外部系統(tǒng)的配置和選擇應(yīng)進(jìn)行深入的分析、研究和計(jì)算?？绽湎到y(tǒng)空氣動力特性、汽輪機(jī)排汽管道的應(yīng)力狀況、排汽管道內(nèi)蒸汽的動力特性、不同布置形式下的環(huán)境風(fēng)影響和風(fēng)機(jī)群效應(yīng)、空冷支架的結(jié)構(gòu)形式及在不同荷載下的受力、振型、頻率、變形、軸壓比的特點(diǎn)和規(guī)律以及柱頂節(jié)點(diǎn)的選用原則等方面的問題有待于進(jìn)一步計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)1000MW超超臨界空冷機(jī)組比1000MW超臨界空冷機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗低7g／(kW·h)。2臺1000MW超超臨界空冷機(jī)組比超臨界空冷機(jī)組年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約80000t(年利用小時數(shù)按5500h)，投資高約31000萬元(2005年價格水平)。在同樣的評價因素下以及一定的標(biāo)準(zhǔn)煤價格下，2×1000MW超超臨界空冷機(jī)組含稅上網(wǎng)電價有可能比3×660MW超臨界空冷機(jī)組的含稅上網(wǎng)電價低。

(4)空冷機(jī)組具有良好的節(jié)水效果，在缺水的地區(qū)采用空冷機(jī)組是一種較好的技術(shù)方案。至于是選用亞臨界空冷、超臨界空冷還是選用超超臨界空冷機(jī)組，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)情況、煤價水平、工程造價水平、電價水平以及環(huán)保要求等諸多因素進(jìn)行科學(xué)地評價后確定。