【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 責(zé)任公司于1990年率先開(kāi)始研制國(guó)產(chǎn)T91鋼管,并對(duì)其生產(chǎn)工藝,組織與性能的關(guān)系等進(jìn)行了較詳細(xì)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(shè)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(yàn)證明該鋼管的力學(xué)性能達(dá)到了ASMEA213標(biāo)準(zhǔn)要求，其高溫蠕變和持久強(qiáng)度正在試驗(yàn)之中[18]。陡河發(fā)電廠四臺(tái)鍋爐的高溫過(guò)熱器、高溫再熱器部分選用T91鋼管，最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間已近3萬(wàn)小時(shí)左右，邢臺(tái)、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(guò)程中，已使用或準(zhǔn)備使用T/P91鋼管。冶金部將9Cr1Mo鋼列入“八五”重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目?？梢灶A(yù)計(jì)，T/P91鋼不久將在我國(guó)形成批量生產(chǎn)。同時(shí)，進(jìn)行T/P91材料國(guó)產(chǎn)化和T/P91運(yùn)行后技術(shù)上的研究，不僅可以節(jié)約外匯，同時(shí)對(duì)于電站鍋爐的長(zhǎng)期安全運(yùn)行以及整個(gè)電力工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。 T91鋼的應(yīng)用前景一般的9%Cr和12%Cr鐵素體鋼,如ASTM A213標(biāo)準(zhǔn)中的T9以及DIN17175標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)期工作。但是,這些鋼在600℃以上的高溫蠕變強(qiáng)度并不高,持久斷裂塑性隨時(shí)間增長(zhǎng)下降速度較快,并且焊接加工工藝復(fù)雜。在新型的耐熱鋼的開(kāi)發(fā)中，應(yīng)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(kāi)發(fā)一些新型馬氏體鋼來(lái)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(diǎn)外,600℃以上的高溫蠕變強(qiáng)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(qiáng)(105h的持久強(qiáng)度),并且持久斷裂塑性穩(wěn)定。強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)給出的許用應(yīng)力,它與TP304H鋼等應(yīng)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(wú)論技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上都是可取的。另外制造大型發(fā)電機(jī)組的厚壁件已成為今后發(fā)電機(jī)組耐熱材料的研究發(fā)展方向。在大型發(fā)電設(shè)備鍋爐中盡量不采用奧氏體不銹鋼，一直是我國(guó)和工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展大型電站設(shè)備鍋爐用鋼的方針，也是世界各國(guó)鍋爐用鋼關(guān)鍵性技術(shù)的攻關(guān)目標(biāo)之一[21]。T91鋼就是一種可代替TP304的馬氏體鋼，而且和先進(jìn)的蒸汽系統(tǒng)的發(fā)展相適應(yīng)，其具有更加廣闊的應(yīng)用前景。T91鋼管在600～625℃溫度范圍內(nèi)填補(bǔ)了12Cr2MoWVTiB鋼和19Cr9Ni的TP304H鋼的位置,可用它制造300MW/600MW機(jī)組亞臨界自然循環(huán)鍋爐的高溫再熱器和高溫過(guò)熱器,實(shí)現(xiàn)基本不用奧氏體鋼的目標(biāo)。由于該鋼熱強(qiáng)性能高,抗時(shí)效性能好,長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中組織穩(wěn)定,并具備承受一定過(guò)載的一般的9%Cr和12%Cr鐵素體鋼,如ASTM A213標(biāo)準(zhǔn)中的T9以及DIN17175標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)期工作。但是,這些鋼在600℃以上的高溫蠕變強(qiáng)度并不高,持久斷裂塑性隨時(shí)間增長(zhǎng)下降速度較快,并且焊接加工工藝復(fù)雜。而T91鋼除了保持優(yōu)良的抗高溫腐蝕性能的優(yōu)點(diǎn)外,600℃以上的高溫蠕變強(qiáng)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(qiáng)(105h的持久強(qiáng)度),并且持久斷裂塑性穩(wěn)定。強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)給出的許用應(yīng)力,它與TP304H鋼等應(yīng)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(wú)論技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上都是可取的。T91鋼管在600～625℃溫度范圍內(nèi)填補(bǔ)了12Cr2MoWVTiB鋼和19Cr9Ni的TP304H鋼的位置,可用它制造300MW/600MW機(jī)組亞臨界自然循環(huán)鍋爐的高溫再熱器和高溫過(guò)熱器,實(shí)現(xiàn)基本不用奧氏體鋼的目標(biāo)。由于該鋼熱強(qiáng)性能高,抗時(shí)效性能好,長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中組織穩(wěn)定,并具備承受一定過(guò)載的中仍保持密封狀態(tài),不會(huì)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(qiáng)度及許用應(yīng)力,因而可以減小管子壁厚,降低成本。所以，過(guò)熱器和再熱器是T91的主要應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)代電站鍋爐為得到更高的效率比,蒸氣溫度要達(dá)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(guó)200 MW和300 MW的老機(jī)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(jià)格是T91鋼管的2倍),而且這類(lèi)未穩(wěn)定化的奧氏體鋼容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕而發(fā)生爆管。從性能和經(jīng)濟(jì)性方面考慮,T91鋼是較理想的鍋爐替代材料。邢臺(tái)、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(guò)程中,已使用或準(zhǔn)備使用T91鋼管。冶金部將9Cr1Mo鋼列入“八五”重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,成都無(wú)縫鋼管廠在1991年試制出了φ516和φ5145的T91管,試驗(yàn)證明該鋼管的力學(xué)性能達(dá)到了ASME A213標(biāo)準(zhǔn)要求,其高溫蠕變和持久強(qiáng)度正在試驗(yàn)之中。可以預(yù)計(jì),T91鋼不久將在我國(guó)形成批量生產(chǎn)[23]。同時(shí),進(jìn)行T91焊接材料國(guó)產(chǎn)化和T91及其異種鋼焊接技術(shù)研究,不僅可以節(jié)約外匯,同時(shí)對(duì)電站鍋爐的長(zhǎng)期安全運(yùn)行以及整個(gè)電力工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響,T91鋼在我國(guó)電站鍋爐中具有廣闊的應(yīng)用前景。 本課題研究的目的及意義我國(guó)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(lái)愈高。火力發(fā)電在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位越來(lái)越重要，與此同時(shí)，火力發(fā)電廠事故中有相當(dāng)一部分是由鍋爐事故引起的，鍋爐的氧化腐蝕情況也很?chē)?yán)重，它的管件在高溫狀態(tài)下外壁受煙氣的作用，內(nèi)壁受水蒸氣的作用。這些介質(zhì)不僅對(duì)管壁造成一定的壓力，而且還有一定的腐蝕作用。由于管內(nèi)壁氧化膜的存在，導(dǎo)致管壁的有效壁厚減小，管壁的導(dǎo)熱性能變差，長(zhǎng)期工作中氧化皮變厚并脫落，導(dǎo)致管道變薄，從而就有可能導(dǎo)致鍋爐管發(fā)生爆漏，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。T91鋼以其良好的熱強(qiáng)韌性、抗蠕變性能、高的熱導(dǎo)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(lái),為提高火力發(fā)電廠的效率,火電機(jī)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(lái)材料的加速氧化,高溫氧化和高溫腐蝕、,國(guó)內(nèi)已經(jīng)研究了600～750℃，現(xiàn)對(duì)T91鋼在500～250℃不飽和蒸汽條件下氧化動(dòng)力學(xué)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究.深入T91鋼管的高溫水蒸氣下的氧化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，有利于更好的發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)此鋼材在高溫下抗氧化和腐蝕的能力，進(jìn)一步完善T91鋼的高溫水蒸氣氧化動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)保證T91鋼管的安全運(yùn)行具有重要的理論與實(shí)踐意義，為我國(guó)火電行業(yè)的發(fā)展起到積極作用 本課題主要研究?jī)?nèi)容（1）溫度不變的情況下，找出T91鋼氧化動(dòng)力學(xué)隨蒸氣量變化的規(guī)律；（2）在500℃和525℃溫度對(duì)T91鋼幾個(gè)典型蒸氣量的氧化動(dòng)力學(xué)的影響；（3）完善和確定T91鋼的氧化動(dòng)力學(xué)規(guī)律2 試驗(yàn)材料和方法2試驗(yàn)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(kāi)發(fā)一些新型馬氏體鋼來(lái)部分取代奧氏體不銹鋼。特別是用一些新型馬氏體鋼來(lái)取代奧氏體不銹鋼制造大型發(fā)電機(jī)組的厚壁件已成為今后發(fā)電機(jī)組耐熱材料的研究發(fā)展方向。在大型發(fā)電設(shè)備鍋爐中盡量不采用奧氏體不銹鋼，一直是我國(guó)和工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展大型電站設(shè)備鍋爐用鋼的方針，也是世界各國(guó)鍋爐用鋼關(guān)鍵性技術(shù)的攻關(guān)目標(biāo)之一。T91鋼就是一種可代替TP304的馬氏體鋼，而且和先進(jìn)的蒸氣系統(tǒng)的發(fā)展相適應(yīng)，在我國(guó)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(duì)于火電廠T91鋼管工程應(yīng)用的監(jiān)管和研究還不夠，有關(guān)高溫水蒸氣下氧化方面的文獻(xiàn)資料還不健全。為此進(jìn)一步研究其在高溫水蒸氣下的氧化動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，為T(mén)91鋼管工程應(yīng)用的安全正常運(yùn)行提供技術(shù)依據(jù)。 試樣制備及試驗(yàn)裝置 試樣制備試驗(yàn)材料為某電廠鍋爐高溫再熱器管所選用的T91（國(guó)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(hào)水磨砂紙打磨,用蒸餾水清洗,丙酮除油,低溫烘干,并準(zhǔn)確測(cè)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(yàn)用鋼化學(xué)成分 (Wt%)西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 試驗(yàn)裝置本次試驗(yàn)所用的天平為熱分析天平。天平為光學(xué)讀數(shù),加熱爐為立式管型加熱爐,爐管長(zhǎng)550mm,控溫精度為177。1℃。試樣懸吊于加熱爐管中部,爐管下端進(jìn)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?gòu)埥z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(dāng)橫梁偏離平衡位置時(shí)，由于光闌發(fā)生同步移動(dòng)，光電元件感受到移動(dòng)的方向和程度。經(jīng)由反饋線(xiàn)路傳給平衡線(xiàn)圈一個(gè)附加電流，線(xiàn)圈與磁鐵作用使直桿并帶動(dòng)橫梁恢復(fù)到原來(lái)的平衡位置。其中附加給線(xiàn)圈的電流和試樣質(zhì)量的變化成比例，經(jīng)標(biāo)定后輸出的量即為試樣質(zhì)量的變化。間斷記錄試樣氧化的增重量。從而得出氧化時(shí)間與單位面積增重之間的關(guān)系。熱分析天平是這次實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備。 熱分析天平的構(gòu)造示意圖 試驗(yàn)方法，試驗(yàn)前先將熱分析天平調(diào)整平衡，然后將儀器設(shè)備打開(kāi)，并從進(jìn)氣口通入蒸餾水，保證蒸餾水的流速為試驗(yàn)所要求的。蒸餾水在蒸發(fā)皿中加熱形成水蒸氣，當(dāng)溫度加熱到試驗(yàn)溫度并保持穩(wěn)定（溫度的變化在177。1℃內(nèi)視為穩(wěn)定）時(shí)，開(kāi)始掛入試樣。懸掛試樣時(shí)，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(cè)量。在試樣掛入后，打開(kāi)熱分析天平，讀取并記錄變化的數(shù)據(jù)，剛掛入試樣時(shí)，每分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，適量延長(zhǎng)讀取時(shí)間。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，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(jié)果。試驗(yàn)氧化采用增重法測(cè)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(jìn)行氧化，氧化單位面積增重y/。；在每個(gè)溫度區(qū)間兩個(gè)試樣，通過(guò)加入水蒸氣量不同得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)及分析，試驗(yàn)所的數(shù)據(jù)如附錄所示。 T91鋼的氧化試樣統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)溫度試樣號(hào)水流滴數(shù)/30秒水流量ml/h氧化總時(shí)間h500℃153291525℃156289 （注：表中試樣號(hào)1為水流量在280