【文章內容簡介】 責任公司于1990年率先開始研制國產(chǎn)T91鋼管,并對其生產(chǎn)工藝,組織與性能的關系等進行了較詳細的研究,到目前為止,已試制了多種規(guī)格的T91鋼管,部分產(chǎn)品在火力發(fā)電設備上使用,效果良好，并在1991年試制出了Ф516的T91管和Ф5145的P91管，試驗證明該鋼管的力學性能達到了ASMEA213標準要求，其高溫蠕變和持久強度正在試驗之中[18]。陡河發(fā)電廠四臺鍋爐的高溫過熱器、高溫再熱器部分選用T91鋼管，最長運行時間已近3萬小時左右，邢臺、渭河、軍糧城、龍口電廠以及大同二電廠、豐鎮(zhèn)熱電廠等，在維修改造換管過程中，已使用或準備使用T/P91鋼管。冶金部將9Cr1Mo鋼列入“八五”重點開發(fā)項目?？梢灶A計，T/P91鋼不久將在我國形成批量生產(chǎn)。同時，進行T/P91材料國產(chǎn)化和T/P91運行后技術上的研究，不僅可以節(jié)約外匯，同時對于電站鍋爐的長期安全運行以及整個電力工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。 T91鋼的應用前景一般的9%Cr和12%Cr鐵素體鋼,如ASTM A213標準中的T9以及DIN17175標準中的X20CrMoV121鋼,都具有較好的抗高溫腐蝕性能,允許金屬壁溫在650℃下長期工作。但是,這些鋼在600℃以上的高溫蠕變強度并不高,持久斷裂塑性隨時間增長下降速度較快,并且焊接加工工藝復雜。在新型的耐熱鋼的開發(fā)中，應用較成熟的是改良型9Cr1Mo鋼。目前電站鍋爐管道上比較常用的300系列奧氏體鋼在很多方面存在的不足，電力工作者更期望能開發(fā)一些新型馬氏體鋼來部分取代奧氏體不銹鋼[1920]。T91鋼除了保持優(yōu)良的抗高溫腐蝕性能的優(yōu)點外,600℃以上的高溫蠕變強度有較顯著的提高,差不多是T9鋼的3倍,與TP304H鋼在625℃溫度下等強(105h的持久強度),并且持久斷裂塑性穩(wěn)定。強度計算標準給出的許用應力,它與TP304H鋼等應力的溫度在600℃,而在鋼管金屬壁溫為625℃條件下代替TP304H鋼使用,雖T91鋼管比TP304H鋼管壁厚要增加10%,但是,材料的成本仍可降低50%,無論技術上或經(jīng)濟上都是可取的。另外制造大型發(fā)電機組的厚壁件已成為今后發(fā)電機組耐熱材料的研究發(fā)展方向。在大型發(fā)電設備鍋爐中盡量不采用奧氏體不銹鋼，一直是我國和工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展大型電站設備鍋爐用鋼的方針，也是世界各國鍋爐用鋼關鍵性技術的攻關目標之一[21]。T91鋼就是一種可代替TP304的馬氏體鋼，而且和先進的蒸汽系統(tǒng)的發(fā)展相適應，其具有更加廣闊的應用前景。T91鋼管在600～625℃溫度范圍內填補了12Cr2MoWVTiB鋼和19Cr9Ni的TP304H鋼的位置,可用它制造300MW/600MW機組亞臨界自然循環(huán)鍋爐的高溫再熱器和高溫過熱器,實現(xiàn)基本不用奧氏體鋼的目標。由于該鋼熱強性能高,抗時效性能好,長期運行過程中組織穩(wěn)定,并具備承受一定過載的一般的9%Cr和12%Cr鐵素體鋼,如ASTM A213標準中的T9以及DIN17175標準中的X20CrMoV121鋼,都具有較好的抗高溫腐蝕性能,允許金屬壁溫在650℃下長期工作。但是,這些鋼在600℃以上的高溫蠕變強度并不高,持久斷裂塑性隨時間增長下降速度較快,并且焊接加工工藝復雜。而T91鋼除了保持優(yōu)良的抗高溫腐蝕性能的優(yōu)點外,600℃以上的高溫蠕變強度有較顯著的提高,差不多是T9鋼的3倍,與TP304H鋼在625℃溫度下等強(105h的持久強度),并且持久斷裂塑性穩(wěn)定。強度計算標準給出的許用應力,它與TP304H鋼等應力的溫度在600℃,而在鋼管金屬壁溫為625℃條件下代替TP304H鋼使用,雖T91鋼管比TP304H鋼管壁厚要增加10%,但是,材料的成本仍可降低50%,無論技術上或經(jīng)濟上都是可取的。T91鋼管在600～625℃溫度范圍內填補了12Cr2MoWVTiB鋼和19Cr9Ni的TP304H鋼的位置,可用它制造300MW/600MW機組亞臨界自然循環(huán)鍋爐的高溫再熱器和高溫過熱器,實現(xiàn)基本不用奧氏體鋼的目標。由于該鋼熱強性能高,抗時效性能好,長期運行過程中組織穩(wěn)定,并具備承受一定過載的中仍保持密封狀態(tài),不會被污染而影響衛(wèi)生[22]。 由于T91鋼的優(yōu)異性能,特別在高溫下有較高的蠕變和持久強度及許用應力,因而可以減小管子壁厚,降低成本。所以，過熱器和再熱器是T91的主要應用領域?，F(xiàn)代電站鍋爐為得到更高的效率比,蒸氣溫度要達到540～565℃之間。這意味著金屬溫度大約是600～625℃.T91比碳鋼和合金鋼的抗腐蝕性能都好。鍋爐的厚壁受壓部件例如集箱,必須慎重選擇材料。我國200 MW和300 MW的老機組鍋爐大部分使用的是T212Cr1MoV和鋼102等鋼材,由于超高溫而造成的爆管現(xiàn)象較普遍,一些電廠在鍋爐改造中換成TP347H和TP304H不銹鋼管,不僅成本高(TP347H的價格是T91鋼管的2倍),而且這類未穩(wěn)定化的奧氏體鋼容易產(chǎn)生應力腐蝕而發(fā)生爆管。從性能和經(jīng)濟性方面考慮,T91鋼是較理想的鍋爐替代材料。邢臺、渭河、軍糧城、龍口電廠以及大同二電廠、豐鎮(zhèn)熱電廠等,在維修改造換管過程中,已使用或準備使用T91鋼管。冶金部將9Cr1Mo鋼列入“八五”重點開發(fā)項目,成都無縫鋼管廠在1991年試制出了φ516和φ5145的T91管,試驗證明該鋼管的力學性能達到了ASME A213標準要求,其高溫蠕變和持久強度正在試驗之中?？梢灶A計,T91鋼不久將在我國形成批量生產(chǎn)[23]。同時,進行T91焊接材料國產(chǎn)化和T91及其異種鋼焊接技術研究,不僅可以節(jié)約外匯,同時對電站鍋爐的長期安全運行以及整個電力工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響,T91鋼在我國電站鍋爐中具有廣闊的應用前景。 本課題研究的目的及意義我國火力發(fā)電事業(yè)發(fā)展很快，鍋爐的容量與蒸汽參數(shù)愈來愈高?；鹆Πl(fā)電在經(jīng)濟發(fā)展中的地位越來越重要，與此同時，火力發(fā)電廠事故中有相當一部分是由鍋爐事故引起的，鍋爐的氧化腐蝕情況也很嚴重，它的管件在高溫狀態(tài)下外壁受煙氣的作用，內壁受水蒸氣的作用。這些介質不僅對管壁造成一定的壓力，而且還有一定的腐蝕作用。由于管內壁氧化膜的存在，導致管壁的有效壁厚減小，管壁的導熱性能變差，長期工作中氧化皮變厚并脫落，導致管道變薄，從而就有可能導致鍋爐管發(fā)生爆漏，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。T91鋼以其良好的熱強韌性、抗蠕變性能、高的熱導率、良好的可焊性等優(yōu)異性能成為高蒸汽參數(shù)電站鍋爐管的主力鋼種[24].近些年來,為提高火力發(fā)電廠的效率,火電機組正從亞臨界(蒸汽參數(shù)為540℃/)向高溫超臨界(蒸汽參數(shù)為600℃/)和高溫超超臨界(蒸汽參數(shù)為700℃/)方向發(fā)展[25]。而高蒸汽參數(shù)必將引來材料的加速氧化,高溫氧化和高溫腐蝕、,國內已經(jīng)研究了600～750℃，現(xiàn)對T91鋼在500～250℃不飽和蒸汽條件下氧化動力學的變化規(guī)律進行了研究.深入T91鋼管的高溫水蒸氣下的氧化動力學進行研究，有利于更好的發(fā)現(xiàn)和改進此鋼材在高溫下抗氧化和腐蝕的能力，進一步完善T91鋼的高溫水蒸氣氧化動力學性能，對保證T91鋼管的安全運行具有重要的理論與實踐意義，為我國火電行業(yè)的發(fā)展起到積極作用 本課題主要研究內容（1）溫度不變的情況下，找出T91鋼氧化動力學隨蒸氣量變化的規(guī)律；（2）在500℃和525℃溫度對T91鋼幾個典型蒸氣量的氧化動力學的影響；（3）完善和確定T91鋼的氧化動力學規(guī)律2 試驗材料和方法2試驗材料和方法 引言目前電站鍋爐管道上比較常用的300系列奧氏體鋼在很多方面存在的不足，電力工作者更期望能開發(fā)一些新型馬氏體鋼來部分取代奧氏體不銹鋼。特別是用一些新型馬氏體鋼來取代奧氏體不銹鋼制造大型發(fā)電機組的厚壁件已成為今后發(fā)電機組耐熱材料的研究發(fā)展方向。在大型發(fā)電設備鍋爐中盡量不采用奧氏體不銹鋼，一直是我國和工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展大型電站設備鍋爐用鋼的方針，也是世界各國鍋爐用鋼關鍵性技術的攻關目標之一。T91鋼就是一種可代替TP304的馬氏體鋼，而且和先進的蒸氣系統(tǒng)的發(fā)展相適應，在我國T91鋼以其良好的綜合性能及抗高溫氧化性能，現(xiàn)已大量使用。但對于火電廠T91鋼管工程應用的監(jiān)管和研究還不夠，有關高溫水蒸氣下氧化方面的文獻資料還不健全。為此進一步研究其在高溫水蒸氣下的氧化動力學問題，為T91鋼管工程應用的安全正常運行提供技術依據(jù)。 試樣制備及試驗裝置 試樣制備試驗材料為某電廠鍋爐高溫再熱器管所選用的T91（國產(chǎn)牌10Cr9Mo1VNb）管,規(guī)格為Ф43 mm SA213和GB5310199規(guī)定。試樣在T91鋼管上截取尺寸為50mm15mm2mm的平片狀試樣,表面經(jīng)800號水磨砂紙打磨,用蒸餾水清洗,丙酮除油,低溫烘干,并準確測量試樣暴露在氧化環(huán)境中的總表面積。元素CSPSiMnCrMoVAlNbNNi原始鋼管成分GB5310199510Cr9Mo1VNb~≤≤~~~~~≤~~≤ 試驗用鋼化學成分 (Wt%)西安工業(yè)大學學士學位論文 試驗裝置本次試驗所用的天平為熱分析天平。天平為光學讀數(shù),加熱爐為立式管型加熱爐,爐管長550mm,控溫精度為177。1℃。試樣懸吊于加熱爐管中部,爐管下端進水蒸氣,上端排氣,水蒸氣由蒸餾水加熱蒸發(fā)生成。天平采用金屬張絲支撐天平橫梁，橫梁中心處固定一段安置光闌的直桿。在光闌兩邊分別放置光源和光電元件。當橫梁偏離平衡位置時，由于光闌發(fā)生同步移動，光電元件感受到移動的方向和程度。經(jīng)由反饋線路傳給平衡線圈一個附加電流，線圈與磁鐵作用使直桿并帶動橫梁恢復到原來的平衡位置。其中附加給線圈的電流和試樣質量的變化成比例，經(jīng)標定后輸出的量即為試樣質量的變化。間斷記錄試樣氧化的增重量。從而得出氧化時間與單位面積增重之間的關系。熱分析天平是這次實驗的主要設備。 熱分析天平的構造示意圖 試驗方法，試驗前先將熱分析天平調整平衡，然后將儀器設備打開，并從進氣口通入蒸餾水，保證蒸餾水的流速為試驗所要求的。蒸餾水在蒸發(fā)皿中加熱形成水蒸氣，當溫度加熱到試驗溫度并保持穩(wěn)定（溫度的變化在177。1℃內視為穩(wěn)定）時，開始掛入試樣。懸掛試樣時，用鎳鉻絲一端系住試樣，另一端則掛在工業(yè)純鈦之上，要保證鎳鉻絲的垂直，避免鎳鉻絲與爐壁的接觸，確保熱分析天平的精確測量。在試樣掛入后，打開熱分析天平，讀取并記錄變化的數(shù)據(jù)，剛掛入試樣時，每分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，適量延長讀取時間。在讀取數(shù)據(jù)時，先提前30秒觀察刻度的變化范圍，然后選取中間值作為記錄結果。試驗氧化采用增重法測定，把500℃和525℃的T91鋼分別放在水蒸氣量為300ml/h和500ml/h的條件下進行氧化，氧化單位面積增重y/。；在每個溫度區(qū)間兩個試樣，通過加入水蒸氣量不同得出的數(shù)據(jù)進行對比實驗及分析，試驗所的數(shù)據(jù)如附錄所示。 T91鋼的氧化試樣統(tǒng)計試驗溫度試樣號水流滴數(shù)/30秒水流量ml/h氧化總時間h500℃153291525℃156289 （注：表中試樣號1為水流量在280