超临界锅炉受热面材质及喷丸处理调研报告.docx
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超临界锅炉受热面材质及喷丸处理调研报告
超临界机组
受热面材质及喷丸处理调研报告
调研时间：
6月3日-6月8日
调研地点：
上海新亚欣喷丸公司、
江苏武进不锈钢公司、
神华国华太仓电厂
为进一步了解国产super304H、TP347HFG管材及其喷丸处理工艺在超临界机组中的使用情况，赴上海新亚欣喷丸公司、江苏武进不锈钢公司、神华国华太仓电厂，对高温段受热面管材及喷丸处理应用情况进行了实地调研。
现将调研情况汇报如下：
一、调研目的及机组概况
1、调研目的
超临界直流炉过热器和再热器蒸汽温度均超过560℃，要求管材具有高蠕变强度和热疲劳强度，同时具有良好的焊接性能和蒸汽侧耐氧化能力。
目前国内各电厂绝大多数选择TP347HFG用于超临界机组屏过及屏再的高温段（极少数使用Super-304H），较早建设的机组使用T23或TP347H材质的均出现氧化皮脱落堵塞造成频繁超温爆管的情况，因此本次调研的目的有以下几点：
1.国内管材喷丸加工情况及TP347H喷丸处理后的抗氧化性能；
2.国产TP347HFG管材的生产加工情况及与进口管材的性能对比；
3.Super-304的使用情况（国产、进口）。
2、XX热电、XX热电、XXX热电初设中屏再、屏过高温段管材使用情况
1）XX热电锅炉管材情况
XX热电为巴威锅炉厂生产的锅炉，锅炉为超临界参数复合滑压运行方式及定压运行直流煤粉锅炉、一次中间再热、单炉膛平衡通风、∏型布置、固态排渣、紧身封闭、全钢架悬吊结构
项目
单位
屏式
过热器
后屏过热器
末级
过热器
高温
再热器及垂直过渡管组
管子规格
外径×壁厚
mm
51×7.0～8.0
51×6.5～7.5
51×7.5～9.0
51×4.0
材质（详列）
12Cr1MoVG
/SA-213T91/SA-213TP347HFG
12Cr1MoVG
/SA-213T91/SA-213TP347HFG
SA-213T91/SA-213TP347HFG
12Cr1MoVG/
SA-213T91/SA-213TP347HFG
相对应的材质重量
kg
7300/69400/7700
6100/58700/11800
45500/29400
19200/32500/48700
最高金属壁温
℃
592（屏底）
578
608
631
2）XX锅炉管材情况
XX为上海锅炉厂，锅炉为超临界参数复合滑压运行方式及定压运行直流煤粉锅炉、一次中间再热、单炉膛平衡通风、∏型布置、固态排渣、紧身封闭、全钢架悬吊结构
项目
单位
后屏过热器
末级过热器
高温再热器
管子规格（外径×名义壁厚）
mm
Φ44.5×6.0,6.5,8.5
Φ41×6.0,6.5,7.0
Φ38×5.5,6.0,7.0
Φ38×8.0,9.0
材质
—
SA213-T91
SA213-TP347HFG
SA213-T91
SA213-TP347HFG
SA213-T91
SA213-TP347HFG
相对应的材质重量（不含炉外管段）
吨
55/15
151/28
50/27
最高金属壁温
℃
610
609
638
3）XX锅炉情况
XX为上海锅炉厂，超临界参数、一次中间再热、单炉膛、平衡通风，固态排渣，全紧身封闭，全钢构架的π型直流炉。
项目
单位
后屏过热器
末级过热器
高温再热器
管子规格
外径×壁厚
mm
Φ44.5×6.0,6.5,8.5
Φ41.3×6.0,6.5,7.0
Φ38.1×5.5,6.0,7.0
Φ38.1×8.0,9.0
Φ60.3×4.0,4.5
材质
12Cr1MoVG
SA-213T23
SA-213T91
SA-213TP347HFG
SA-213T23
SA-213T91
SA-213TP347HFG
SA-213T23
SA-213T91
SA-213TP347HFG
相对应的材质重量
吨
7/20/31/15
26/128/25
19/35/25
最高金属壁温
℃
610
609
638
二、上海新亚欣喷丸处理介绍
1、喷丸技术介绍
我国火力发电已经进入超临界和超超临界压力的发展时代，电站锅炉的蒸汽出口压力已达28MPa，蒸汽出口温度高达605℃，在如此高的参数下，锅炉受热面管系高温段通常使用的18Cr-8Ni型TP304H、TP321H、TP347H和SUPER304H等奥氏体不锈耐热钢管的内壁面临着高温蒸汽氧化腐蚀的威胁。
为了防止18Cr-8Ni型奥氏体不锈耐热钢管内壁高温蒸汽氧化腐蚀，现时超超临界锅炉受热面管系高温段设计选用钢管内壁经喷丸强化处理的18Cr-8Ni型奥氏体不锈耐热钢管。
钢管内壁喷丸强化处理加工方法如图1所示，将高速弹丸喷射到钢管内壁表面，使其表层在弹丸的射击下发生塑性形变而强化，强化了的喷丸层有效地提高了奥氏体不锈耐热钢管内壁表层抗蒸汽氧化腐蚀的性能。
钢管内壁经喷丸强化处理后，在钢管内表面生成了喷丸应变（硬化）层，它不仅具有应力强化的宏观特征，而且还具有组织强化的微观特征－金属以滑移的方式产生塑性变形并留下塑性变形的痕迹－滑移线，正是这些喷丸形变层中的密集而均匀分布的滑移线，在锅炉运行高温蒸汽氧化的初期，成为Cr元素向钢管内壁表面扩散的短路通道，它比单纯借助晶界作为扩散通道的未经喷丸处理的同钢种的奥氏体不锈耐热钢管快得多的速度，向着蒸汽侧钢管表面富集生成富Cr的Cr2O3氧化内层，隨着蒸汽氧化時间的延长，钢中铁元素的扩散被富Cr的氧化层堵塞，从而使经内喷丸处理的奥氏体不锈钢管具有显著抗高温蒸汽氧化的能力。
2、钢管内喷丸处理的加工方法和工艺流程
遵照钢管内喷丸处理原理，设计的钢管内喷丸处理工艺流程如图所示。
简述如下：
1）钢丸经输送提升至一定高度的储丸仓分筛控制粒度注入移动式喷丸机。
2）常压下的空气经压缩机增压经储气缸内稳压、冷干机的水和气以及气和油的过滤，使洁净干燥的高压空气在喷丸机中与钢丸会合处于待喷状态。
3）待喷钢管经辊道推入工位，钢管首尾两端的外表面与钢丸前后置密封仓仓口连接组成喷丸工作室。
4）喷丸机向前移动使喷枪的喷咀定位在头部外端面的前置密封仓内。
5）开启喷丸机钢丸控制阀，使弹丸经喷枪的喷咀高速喷射到钢管内壁表面，在喷丸机拖动喷枪的回抽运动中对钢管整长施以钢管内壁喷丸强化处理。
6）已喷钢管脱离工位经辊道推入成品待验仓位。
重复3）～6）的工序使钢管内喷丸处理加工实现了批量生产的流水作业。
喷丸现场照片
3、钢管喷丸标准要求
火力发电高温受热面管奥氏体不锈钢管内喷处理，国内外虽有锅炉制造厂、不锈钢管厂和电厂委托加工，至今尚未有统一的钢管内喷丸处理标准，上海新亚欣科技有限公司所用标准可适应不同用户对喷丸层性能的质量需求。
其中对喷丸层性能最高的技术要求如下：
喷丸层60μm处的硬度不小于280HV，且与基体金属相比较硬度增加值不小于100HV；喷丸层的深度不小于70μm。
西安热工院现已立项负责编制“钢管内喷处理技术条件”电力行业标准，该院已邀请上海新亚欣科技有限公司作为该标准的起草单位之一。
4、上海新亚欣公司钢管内喷丸处理喷丸层的硬度和深度实物质量的统计分析
图
（1）和图
（2）分别是Super304H、SA213-TP347H和TP304H等3个钢种经内喷丸处理后喷丸钢管抽样检验喷丸层硬度及其与基体金属相比较硬度增加值区间分布图。
图
（1）喷丸层硬度区间分布图
图
（2）喷丸层硬度增加区间分布图
1）Super304H喷丸层的硬度和深度
该样本取自公司于2007.07.～2012.03.承接完成1.5万吨钢管内喷丸处理仼务中，在成品抽样检验过程中，从中随机抽取其中7024吨（约106241支）钢管，按协议取样920支（占比0.87％）对喷丸层硬度和深度进行了统计分析，其结果如下：
Super304H喷丸层（测点位置离钢管内表面60μm处）硬度（表1）都不小于280Hv0.5的技术要求，且都处在304.5～387.7HV0.5的区间范围内，平均值为339.6HV0.5，其中硬度不小于300HV0.5占比99.0％，且硬度区间处在320≤HV0.5<340占比最大可达70.2％（图1）。
Super304H喷丸层（测点位置离钢管内表面60μm处）硬度与母材基体的硬度相比较，其硬度的增加值（表2）都不小于100Hv0.5的技术要求。
且都处在101.6～210.7HV0.5的区间范围内，平均值为143.0HV0.5，其中硬度区间120≤HV0.5<140占比最大可达58.8％（图2）。
Super304H喷丸层的深度见图（3）所示
图（3）Super304H喷丸层层深及其微观形貌
结论：
Super304H喷丸层喷丸应变层的深度满足都不小于70μm的技术要求，并且都处在75-145.6μm平均值为110μm
2）SA213-TP347H喷丸层的硬度和深度
该样本取自公司于2010.03和2012.02.二次承接完成北京巴威公司603吨（约6407支）TP347H钢管内喷丸处理仼务中，按协议取样67支（占比1.05％）对喷丸层硬度的统计结果。
由图表中可知SA213-TP347H喷丸层（测点位置离钢管内表面60μm处）硬度（表1）都不小于280Hv0.5的技术要求，且都处在297.3～397.3HV0.5的区间范围内，平均值为334.4HV0.5，其中硬度不小于300HV0.5占比98.5％，硬度区间处在320≤HV0.5<340占比最大可达56.7％（图1）。
SA213-TP347H喷丸层（测点位置离钢管内表面60μm处）硬度与母材基体的硬度相比较，其硬度的增加值（表2）都不小于100Hv0.5的技术要求。
且都处在119.0～199.8HV0.5的区间范围内，平均值为158.2HV0.5，其中硬度的增加值不小于120HV0.5占比98.5％，硬度的增加值区间处在140≤HV0.5<180占比70.1％（图2）。
SA213-TP347H喷丸层的深度见图（4）所示
图（4）TP347H喷丸层层深及其微观形貌
结论：
SA213-TP347H喷丸应变层的深度满足都不小于70μm的技术要求，并且都处在113.9-165.4μm平均值为131.7μm。
3）SA213-TP304H喷丸层的硬度和深度
该样本取自公司于2012.04承接完成上锅承建ALSTOM公司外1103锅炉94吨（约1168支）TP304H钢管内喷丸处理仼务中，按协议取样13支（占比1.05％）对喷丸层硬度的统计结果。
SA213-TP304H喷丸层（测点位置离钢管内表面40μm处）硬度（表1）都不小于280Hv0.2的技术要求，且都处在358.9～404.1HV0.2的区间范围内，平均值为380.0HV0.2，其中硬度区间处在370≤HV0.2<390占比最大可达77.0％（图1）。
SA213-TP304H喷丸层（测点位置离钢管内表面40μm处）硬度与母材基体的硬度相比较，其硬度的增加值（表2）都不小于100Hv0.2的技术要求。
且都处在166.6～223.3HV0.2的区间范围内，平均值为194.8HV0.2，其中硬度增加值区间处在190≤HV0.2<210占比最大可达53.8％（图2）。
SA213-TP304HSA213-TP347H喷丸层的深度见图（5）所示
图（5）SA213-TP304H喷丸层层深及其微观形貌
结论：
SA213-TP304H喷丸应变层的深度满足都不小于70μm的技术要求，并且都处在94.3-130.7μm平均值为109.4μm。
总结：
上海新亚欣对Super304H、TP347H和TP304H钢管内喷丸进行对比，没有对细晶TP347HFG进行详细对比，经和新亚欣沟通得知：
粗晶TP347H经喷丸后效果较好，细晶TP347HFG经喷丸后要比粗晶TP347H还要好（晶粒越细越有利于Cr的扩散）。
经上海新亚欣公司内喷丸处理的SUPER304H（Super304H）钢管，不仅满足用户对钢管喷丸层质量需求，而且喷丸层的硬度和深度及其分布均匀性达到了由日本住友金属产的喷丸钢管喷丸层实物质量的同等水平。
5、上海新亚欣产能
目前上海新亚欣已具有六把喷枪其设计产能如下：
受喷钢管的产品对象：
髙温过热器和再热器
受喷钢管的材质：
18Cr-8Ni型奥氏体不锈耐热钢管
受喷钢管的规格：
受喷钢管最小内径:
23毫米；受喷钢管长度:
最大长度12米，甚至更长
年产能：
6000吨（约百万米）
6、上海新亚欣喷丸业绩
上海新亚欣科技有限公司自2007年初开业经上海锅炉厂评审合格后，接受上锅钢管内喷丸处理第一份合同至今（2012年）6年时间中，除上锅外己承接东方锅炉集团股份有限公司，北京巴威有限公司（Babcock&WilcoxBeijingCoLtd）和江苏武進不锈钢管股份有限公司，江苏华新特钢股份有限公司等钢管内喷丸处理加工合同。
实际完成了18000吨（合计长度300万米）奥氏体不锈耐热钢管内壁喷丸强化加工任务，这些喷丸钢管己由上锅、东锅和北京巴威等锅炉制造厂用于制造约50多台超（超）临界锅炉高温受热面管系中，由这些锅炉建成的电站遍布全国国华、神华和华能、国电、大唐等五大电力公司的各大电站中。
三、江苏武进不锈钢介绍
江苏武进不锈股份有限公司（以下简称武进不锈）创于1970年，是国内专业生产不锈无缝钢管、不锈焊接钢管和钢制管件产品的国家高新技术企业、江苏省高新技术企业、中国名牌产品企业。
公司占地70万平米，建筑面积30万余平米，现有员工1300余人。
年生产能力为不锈无缝钢管4万吨，不锈焊接钢管2.5万吨，钢制管件近1万吨。
武进不锈于2004年起开始研发超超临界电站锅炉用耐热不锈钢管，细晶TP347HFG国内应用较广，业绩较多。
super304H已在国内超临界机组中得到应用，业绩相对较少，运行时间较短（3年左右时间）。
1、国产细晶TP347HFG管材
国产细晶TP347HFG运行时间较长，经验相对较足，在超临界机组应用中，严把质量关，严格控制晶粒度（要求7级以上），基本能从本质安全上控制氧化皮生成。
2、国产super304H管材
super304H钢管系ASMESA-213M（2008补遗）标准中的钢号，原系由日本在18-8型不锈耐热钢基础上，通过加入Cu、Nb、N、B等元素，集固溶强化、沉淀强化与晶界强化的多重强化效果于一体，从而得到很高许用应力、主要用于超（超）临界锅炉过热器和再热器的一种新型18-8奥氏体不锈耐热钢管。
国产super304H钢管实际运行时间不足4年，绥中电厂采用国产super304H钢管并且喷丸处理，运行20000多小时，没有发生爆管。
1）super304H化学成分
2）金相组织
在对钢材性能的各种影响因素中，金相显微特征极其重要，特别是在高温用钢在高温下应用时的组织及其稳定性。
然而，在ASMECodecase2328-1以及ASMESA-213标准中，并未有金相组织要求，只是提到应在不低于1100℃的温度下进行固溶处理。
一般认为，作为奥氏体钢，经过固溶处理后的金相组织应为奥氏体。
然而，在SUPER304H钢中有不少强化元素，不会为单纯的奥氏体；对国外实物管的解剖分析也是如此。
其经固溶处理后的金相组织应为：
奥氏体+均匀分布的微细第二相。
3）晶粒度
规范中同样未提钢管晶粒度要求，各资料中也未明确晶粒度要求。
但从高温用途来分析，采用细晶粒，可得到更佳高温抗氧化性。
晶粒度应为：
7级至10级。
4）性能试验研究
对按优化工艺试制的钢管进行性能试验研究，包括化学成分、金相特征、力学性能、晶间腐蚀试验、持久性能等等，均符合标准要求。
高温用钢极为重要的持久试验验证结果，并与国外数据对比。
持久试验：
按GB/T2339-1997标准《金属拉伸蠕变及持久强度试验方法》对试制SUPER304H样管取样进行高温持久试验，试验温度为700℃；对试验数据点进行拟合外推，以对试制钢管的长期持久性能进行评定，验证其是否满足标准要求。
持久试验结果分析：
对试制管持久试验数据点，进行双对数拟合外推10万小时持久强度，结果见表3。
从表3可知，国产SUPER304H钢管持久试验结果外推值均在标准规定值附近，远高于标准规定最小值的要求。
为更加准确地判断国产钢性能是否达到国外水平，将国内试验数据点与国外数据点所制分散带比较，示意图3。
从图中可以看出，国内数据均处于国外试验数据下分散带之上，说明国内试制的管子的持久性能满足要求。
5）焊接工艺试验研究
为评价试制钢管的焊接性能，采用热丝TIG焊、焊材为Φ1.0的YT-304H进行焊接试验后，取样对接头进行拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、硬度试验和金相检测。
试验结果表明，各接头室温抗拉强度均大于母材要求的最低抗拉强度（试验结果在635～685MPa间，均高于590MPa）、各接头短时高温强度与母材在相应温度强度相当、冲击功也较高（均不低于100J）、90°弯曲试验也未开裂，接头焊缝、热影响区和母材硬度差不超过40HV，接头金相组织均为奥氏体+第二相，热影响区晶粒度为4-5级。
这表明，国产的SUPER304H钢管具有较好的焊接性能。
6）应用情况
现在，国内多家不锈钢管制造公司严格按优化工艺生产的SUPER304H钢管已向锅炉制造公司供货，如武进不锈钢厂集团有限公司和江苏银环精密钢管有限公司向东方锅炉（集团）股份有限公司供货、常熟华新特殊钢有限公司和浙江久立特材有限公司向哈尔滨锅炉有限责任公司供货，用于国内超超临界锅炉的部分关键部件的制造。
目前，在实际工程中得以良好应用，并在实际运行的是东方锅炉的信阳工程660MW超超临界锅炉，到现在已经成功运行3年多。
7）武进super304H业绩
序号
单位名称
项目
规格和数量（mm）
运行时间
合同号
1
东方锅炉（集团）股份有限公司
国内首台采用国产SUPER304H不锈钢无缝钢管超超临界机组：
河南大唐信阳发电有限公司3号660MW超超临界机组
45×8.9，104吨、45×9.2，123吨
50.8×3.5，5吨、50.8×4.5，3吨
2009年3月23日11时50分168小时满负荷试运行。
B801076
辽宁国华绥中电厂1000MW超超临界机组（喷丸）
45×8.2，124吨、45×9.2，125吨
50.8×3.5，6.1吨、50.8×4.5，2.1吨
2010年2月12日11时15分，辽宁国华绥中电厂（2×1000MW）二期工程首台机组顺利通过168小时满负荷试运行。
B709156
B711078
B711085
华能井冈山电厂
45×8.9，100吨×2、45×9.2，120吨×2
50.8×3.5，45吨×2、50.8×4.5，2吨×2
2009年11月19日华中网首台66万千瓦超超临界发电机组——华能井冈山电厂3号机组顺利通过168小时试运
B803229
B803230
江西新昌电厂
45×9.8，2.8吨、45×11,1.5吨
50.8×12.5,1吨
2010年2月14日11时，新昌电厂2号66万千瓦超超临界燃煤发电机组顺利通过168小时试运行
B804154
灵武1号和2号/211过渡管
45×8.9，125吨×2、45×9.2，124吨×2
50.8×3.5，61吨×2、50.8×4.5，2.1吨×2
B803227
B803228
射阳港1号和2号/211过渡管
45×11,2.8吨、50.8×12.5，1吨
B804154
沁北二期三号
50.8*8.9，361Kg
B1009080
印度科瑞希纳1#/2#
50.8*3.5，62.2吨、50.8*4.5，1.7吨
B1107235
（B1107236）
印度希瑞雅一期1#/2#
50.8*4.5，20.3吨、50.8*3.5，149.7吨
B1110177（B1110178）
3
宁夏三新真空锅炉制造有限公司
-
27*6，646Kg
40*10，78Kg
10*2，14Kg
17*3.5，127Kg
B1005249
4
上海锅炉厂有限公司
-
38*7,82吨
63.5*4.5,9吨
63.5*3.8，54吨
B1005294
四、神华国华太仓电厂情况介绍
国华太电两台630MW超临界机组为上海锅炉厂引进Alstom技术，为四角切圆，分段风燃烧模式。
型号：
SG–1913/25.4–M950。
过热器出口压力25.4MPa，过热器出口温度571℃，进口汽温508℃。
锅炉型式为超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型锅炉、露天布置燃煤锅炉。
设计煤种：
神府煤，校核煤种：
晋北煤，常用煤种为80%神华煤+20%石炭煤。
两台国产630MW超临界机组分别于2005年11月8日和2006年1月20日投产发电。
1、神华国华太仓电厂受热面材质更换前材质简介
1）锅炉高温受热面布置
2）末级过热器管材布置
三种材质：
T91暗红色，T23绿色，TP347H粉红
3）末级再热器管材布置
四种材质：
T23，T91，TP347H，TP304H
4）后屏过热器管材布置
三种材质：
T23，T91，TP347H
2、神华太仓电厂锅炉受热面存在的问题
受热面爆管统计如下（受热面更换材质前）
1）2007年6月22日，8号炉末级过热器第69屏#9管，第59屏#11管由于氧化皮堵塞，导致超温爆管。
西安热工院对爆管试样分析结论：
T23、T91管内壁氧化皮外层和内层之间出现大量空洞贯通的现象，剥落风险高；个别管子已经发生严重的起皮、掉皮。
2）2009年2月6日，7号炉在并网后63小时28分钟后发生末级过热器第19屏#12爆管。
爆破管位于末级过热器进口集箱三通结构涡流影响区域。
进口集箱的三通处存在涡流流动，涡流区域蒸汽的静压降低，使从该区域引出的第19屏管蒸汽流量减小，减温水雾化不良情况下管壁温度产生大幅波动，氧化皮集中脱落堵塞爆管。
3）10月7日，末级过热器第9屏#12管因氧化皮堵塞爆管（材质T91，规格Φ38.1×7.96），爆破管内壁氧化皮厚度0.31mm。
4）2009年10月14日，7号机组并网后运行45小时，末级过热器第71屏#4管氧化皮脱落堵塞爆管。
爆管具有长期和短时过热特征（江苏电科院试验结论）。
3、神华国华太仓电厂受热面更换材质情况
太仓电厂于2011年6月对锅炉受热面进行改造（具体改造图示如下图），末级过热器热段原设计使用T23材质全部改为T91，原设计使用T91部分通过计算对壁温超过595℃全部为TP347HFG。
末级再热器原设计使用T23材质全部改为T91，原设计使用T91部分通过计算对壁温超过595℃全部为TP347HFG。
改造后15000小时，测得TP347HFG氧化皮厚度为0.06mm，且没有发生爆管。
五、XX热电高温受热面材质及喷丸经济对比表
1、国产材料（武进不锈钢厂单价）
受热面
相对应材质重量（吨）
原用材质
如更换材质
差价
（万元）
型号
单价
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