T23、T24鋼的性能與焊接

T23、T24鋼的性能與焊接

（在神華國(guó)華集團(tuán)08年監(jiān)督會(huì)議專題報(bào)告）江蘇方天電力技術(shù)有限公司2008年11月T23、T24鋼的性能與焊接目錄一、T23、T24鋼的性能

二、T23、T24鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀

三、T23、T24鋼應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題及其原因分析和建議一、T23、T24鋼的性能1T23、T24鋼的性能1.1T23、T24鋼設(shè)計(jì)的意義在普通的超臨界機(jī)組(參數(shù)為25.0MPa、540／540℃或25.0MPa、540／566℃)中，水冷壁出口的汽水溫度約為420℃，正常情況下它的金屬溫度可能達(dá)到450℃。通常選用T1、T11和T12等均可以滿足使用要求?？墒浅R界(USC)鍋爐水冷壁的運(yùn)行壓力和溫度都有明顯的提高。例如在31MPa／620℃蒸汽參數(shù)的USC鍋爐水冷壁出口端的汽水溫度達(dá)475℃。在投入運(yùn)行的初期.中墻部位的管壁溫度達(dá)到497℃。長(zhǎng)期運(yùn)行后，由于管壁形成垢層，管壁溫度可升至513℃。而熱負(fù)荷最高區(qū)域的管子壁溫和接近出口部分的管壁溫度可達(dá)520℃，瞬間最高溫度甚至可達(dá)540℃。因此，以往在亞臨界和普通的超臨界機(jī)組中采用的鋼材已不能滿足要求，需要采用合金含量更高，熱強(qiáng)性更好的鋼材。

除此以外，這些鍋爐的水冷壁大多是膜式壁，由于鍋爐容量增大，為了提高效率，希望增大受熱面積，為此需要減小管徑，這樣就使水冷壁變成為更大更薄的結(jié)構(gòu)。如果仍采用傳統(tǒng)的鐵素體—貝氏體耐熱鋼，如ASTMA213—T12(13CrMo44)和ASTMA213—T22(10CrMo910)來制作，焊后就需要進(jìn)行焊后熱處理。對(duì)這樣大而薄的平面形構(gòu)件實(shí)施熱處理不僅難度很大，而且構(gòu)件在受熱后極易產(chǎn)生扭曲變形，且這種扭曲變形是極難矯正的。因此，從工藝要求出發(fā).需要采用焊接以后可以不進(jìn)行熱處理的鋼材來制作?？梢?，用于制作USC鍋爐水冷壁的材料不僅應(yīng)該在550～570℃下具有足夠的蠕變斷裂強(qiáng)度，而且要求焊前不用預(yù)熱、焊后不必?zé)崽幚淼暮附有粤己玫匿摬?。T23／P23和T24鋼和T24／P24鋼就是適應(yīng)這種要求的材料。1T23、T24鋼的性能1.2T23、T24鋼的設(shè)計(jì)思路T23和T24鋼的設(shè)計(jì)思路如圖所示。從圖中可以看到，它們大都以良好的焊接性、優(yōu)良的韌性、充分高的蠕變強(qiáng)度和不需要焊后熱處理作為四個(gè)目標(biāo)，是在2.25Cr-Mo鋼的基礎(chǔ)上，通過降低碳含量和添加W(以便加強(qiáng)固溶強(qiáng)化的作用)、添加V、Nb、B（起著微合金化和彌散析出強(qiáng)化作用）而獲得的材料。31.3T23、T24鋼的化學(xué)成分1T23、T24鋼的性能目前可見到的T23和T24鋼的標(biāo)準(zhǔn)、鋼號(hào)和它們相應(yīng)的化學(xué)成分見下表：注：表中n.s.表明無規(guī)定。

標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)CSiMnPSCrMoTiVWNbBNNiAlASTMA213(2199條款)T230.04～0.10≤0.500.10～0.60≤0.03≤0.0l1.90～2.600.05～0.30n.s0.20～0.301.45～1.750.02～0.080.0005～0.0060≤0.03n.s≤0.03三菱住友HCM2S(T23)0.04～0.10≤0.500.10～0.60≤0.03≤0.0l1.90～2.600.05～0.30n.s0.20～0.301.45～1.750.02～0.080.0005～0.0060≤0.03n.s≤0.03ASTMA213(草案)T240.05～0.100.15～0.450.30～0.70≤0.02≤0.0l2.20～2.600.90～1.100.05～0.100.20～0.30n.sn.s0.0015～0.0070≤0.012n.s≤0.021T23、T24鋼的性能由上表中成分上可以看到，T23鋼與我國(guó)在20世紀(jì)60年代開發(fā)的鋼102(12Cr2MoWVTiB)有近似的合金系統(tǒng)和含量，它是在T22鋼的基礎(chǔ)上加入了鎢，減少了鉬，把碳含量降低到了0.04％～0.10％。此外，再添加少量的釩、鈮、氮和硼等微合金化元素。而T24鋼與T22鋼相比，也是適當(dāng)減少了含碳量.加入了微合金化元素釩、鈦、硼等。除了這些變動(dòng)以外，兩種鋼的硫、磷等雜質(zhì)含量都被明顯地限制和降低了。這樣成分的鋼再經(jīng)過相應(yīng)的成材加工和熱處理后，就可獲得綜合性能良好、能夠滿足制作USC鍋爐水冷壁要求的鋼材。它們?cè)?00℃時(shí)的蠕變斷裂強(qiáng)度達(dá)到T22鋼的1.8倍。因?yàn)榻档土撕剂亢碗s質(zhì)含量，使其焊接性大大提高，允許焊前不預(yù)熱，焊態(tài)下熱影響區(qū)的最高硬度也在350HV以下。由于這些優(yōu)點(diǎn)，使這類鋼除了能很好地滿足USC鍋爐膜式水冷壁的要求以外，T24／P24還可以在500～550℃范圍內(nèi)作為9％Cr鋼厚壁蒸汽管道的代用材料，同時(shí)可以作為現(xiàn)有老機(jī)組部件的更換材料。

T23和T24鋼都是在正火+回火的調(diào)質(zhì)狀態(tài)下供貨。T23鋼的正火溫度為1060±10℃，T24鋼的正火溫度是1000±10℃。實(shí)踐證明，當(dāng)鋼材的厚度超過10mm時(shí)，需要加大正火冷卻速度(水冷卻)，以保證最佳的力學(xué)性能。T23和T24鋼正火后的回火溫度分別為760±15℃和750±15℃。31T23、T24鋼的性能1.4T23、T24鋼的物理性能T23、T24鋼的主要物理性能見下表：從上表的數(shù)據(jù)可以看出T23、T24鋼具有相似的熱傳導(dǎo)性和線膨脹系數(shù)。如果把T22、T91和TP304的導(dǎo)熱率、線膨脹系數(shù)與T23、T24鋼比較，得到下圖。從下圖和上表的數(shù)據(jù)可以看到很有意思的現(xiàn)象：雖然T24鋼的合金元素總量比T22鋼只少了0.1％，而T23鋼的合金總量比T22鋼還高出1％以上，可是它們的線膨脹系數(shù)都比T22鋼小。不僅如此，T24鋼的熱傳導(dǎo)性還明顯好于T22鋼。較小的線膨脹系數(shù)和較高的導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)于制作鍋爐受熱面構(gòu)件都是有利的。31T23、T24鋼的性能

T22、T23、T24、T9l及TP304鋼的性能比較

(a)熱傳導(dǎo)性的比較；(b)線膨脹系數(shù)的比較對(duì)上面三幅T22鋼、T23鋼、T24鋼的CCT圖進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：

1、T23鋼的Acl為810℃，Ac3為980℃。通常焊接條件下，空冷至500℃以下將發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。如果冷卻得較快，得到的組織可以為貝氏體+馬氏體，硬度為300～350HVl0。T24鋼的Acl為815℃，Ac3為960℃，可以看到，它的Ms溫度在460℃左右，Mf溫度在250～300℃。通常焊接條件下冷卻得到的組織也是貝氏體+馬氏體，硬度為300～350HVl0。T23鋼、T24鋼在極端的緩慢冷卻條件下，都會(huì)出現(xiàn)高溫轉(zhuǎn)變組織(鐵素體+珠光體)，這是所不希望的，它將破壞鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能。

2、雖然T22鋼、T23鋼、T24鋼發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域差不多都是在500℃以上，如果用相同的冷卻速度從Ac3冷卻下來，T22鋼的硬度遠(yuǎn)比T23和T24的高。這立即可以聯(lián)想到是由于含碳量不同所產(chǎn)生的效果，從一個(gè)側(cè)面反映了T23、T24鋼比T22鋼具有更低的延遲裂紋敏感性。此外，T22鋼高溫轉(zhuǎn)變的孕育期明顯比T23和T24的短，意味著T22鋼較容易出現(xiàn)奧氏體的高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。而T23和T24鋼由于添加了B、N等元素，明顯地延長(zhǎng)了孕育期，使它們較不容出現(xiàn)奧氏體的高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，這反映了T23和T24鋼會(huì)具有比T22鋼更好的力學(xué)性能。

31T23、T24鋼的性能1.5T23、T24鋼的主要常溫力學(xué)性能

31T23、T24鋼的性能ASME標(biāo)準(zhǔn)提供的T23和T24鋼的主要常溫力學(xué)性能見下表。T24鋼的常溫強(qiáng)度和硬度比T23鋼的略高一些。

T23、T24鋼的主要常溫力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值

31T23、T24鋼的性能日本三菱重工和住友公司對(duì)T23(HCM2S)鋼不同產(chǎn)品的常溫力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試產(chǎn)品的規(guī)格及測(cè)試結(jié)果見下表。測(cè)試結(jié)果不但說明了這些產(chǎn)品的常溫力學(xué)性能全面達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，并且還有較多的裕量。數(shù)據(jù)還說明，成材加工時(shí)變形量大的小徑管和板材，其強(qiáng)度和韌性相對(duì)更高些。

HCM2S(T23)鋼測(cè)試材料規(guī)格

HCM2S(T23)鋼結(jié)果測(cè)試

31T23、T24鋼的性能上面左圖表示壁厚小于10mm的小徑管和壁厚大于10mm的大徑管以不同的冷卻速度正火后得到的沖擊韌度。圖中除了空氣中冷卻的P24鋼(壁厚>l0mm)以外，所有試樣的脆性轉(zhuǎn)變溫度都在一40℃左右，它們的上平臺(tái)值都在250J／cm2以上?？諝庵欣鋮s的P24鋼，雖然其上平臺(tái)值也在250J／cm2以上，但其轉(zhuǎn)變溫度卻升到了零上40℃左右，這些試驗(yàn)說明了正火時(shí)的冷卻速度非常重要。正火時(shí)，較快的冷卻速度能獲得馬氏體和下貝氏體組織，回火后獲得高的韌性，脆性轉(zhuǎn)變溫度低：反之，若正火時(shí)的冷卻速度不足，其脆性轉(zhuǎn)變溫度就會(huì)明顯上升。這一現(xiàn)象可以推理為：由于正火時(shí)的冷卻速度不足，導(dǎo)致出現(xiàn)了上貝氏體類組織，從而大幅度提高脆性轉(zhuǎn)變溫度。

上面右圖表示的是T23鋼彎管后的正火條件對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度和材料韌度的影響，也反映出了和左圖相同的特性，這一點(diǎn)是使用這類鋼時(shí)必須注意的。在使用這類鋼制造構(gòu)件時(shí)，需要對(duì)鋼管進(jìn)行彎曲加工。彎曲加工后，如果需要進(jìn)行正火+回火處理.就應(yīng)注意正火時(shí)的冷卻速度。尤其是當(dāng)對(duì)壁厚大于10mm的大徑管進(jìn)行彎管加工后，更需特別注意確保其正火時(shí)的冷卻速度。建議在正火時(shí)采用油冷或鼓風(fēng)加速冷卻。

左圖的數(shù)據(jù)還提示出，在焊接這些鋼的時(shí)候，應(yīng)保證足夠的冷卻速度，特別要設(shè)法保證厚壁構(gòu)件焊接時(shí)的冷卻速度。為此，需要注意限制層間溫度不得過高。從這些特性出發(fā)，很有必要通過實(shí)踐逐步建立焊接接頭的韌度和焊后冷卻速度之間的定量關(guān)系；也就是建立接頭韌度和層間溫度、焊接熱輸入、工件壁厚之間的定量關(guān)系。31T23、T24鋼的性能1.6T23、T24鋼的高溫力學(xué)性能

圖1給出了從室溫到650℃的不同溫度下T23、T24鋼的短時(shí)拉伸性能。T24鋼具有最高的σ0.2，在500℃以上才和T23鋼的σ0.2漸趨于一致。但兩者都遠(yuǎn)高于T22鋼的水平，在550℃時(shí)，它們的σ0.2還要高于T22鋼150MPa左右。

圖2和圖3分別為T23、T24鋼從常溫到700℃間的不同溫度下短時(shí)拉伸試驗(yàn)時(shí)的伸長(zhǎng)率和端面收縮率。隨著溫度的升高，在常溫到550℃的范圍內(nèi)。T23、T24鋼的延伸率沒有明顯的變化或升高。31T23、T24鋼的性能圖4所示為T23／P23、T24／P24、T22／P22和T9l／P91鋼在500～600℃溫度區(qū)間10萬h的蠕變斷裂強(qiáng)度，很直觀地給出了這四種鋼在這個(gè)溫度范圍內(nèi)的蠕變斷裂強(qiáng)度，T9l／P91鋼在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)始終是最優(yōu)的，而T22／P22鋼則比其他三種鋼低很多。有意義的是T23／P23和T24／P24鋼之間的差別，可以看到：在580℃以下時(shí)，T24／P24鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度比T23／P23鋼高；與此相應(yīng)，兩種鋼的許用應(yīng)力也有相應(yīng)的差別(表1和表2分別列出兩種鋼的許用應(yīng)力，圖5則是ASNE標(biāo)準(zhǔn)的許用應(yīng)力曲線)。尤其是在500～550~C溫度區(qū)間內(nèi)，T24／P24鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度高出T23／P23鋼20—30MPa。但是在溫度超過570℃以后，T23鋼的許用應(yīng)力反而高于T24／P24鋼。由于兩種鋼開發(fā)設(shè)計(jì)的目標(biāo)使用溫度就是500～550℃，因此這個(gè)差別對(duì)使用者選擇材料和計(jì)算時(shí)都很有意義。31T23、T24鋼的性能

表1ASME標(biāo)準(zhǔn)T23鋼許用應(yīng)力值(MPa)溫度(℃)20100200300400450500525550575600625650ASME128128126125124117111105877l56-38-25溫度(℃)2050100150200250300350400450500525550575600DINTRD300291278269262257253248243237151129986739ASME146“6146142139137135133131126117112956739

表2T24鋼的許用應(yīng)力值

(MPa)31T23、T24鋼的性能HCM2S（T23）鋼在不同溫度下10萬h蠕變斷裂強(qiáng)度

日本三菱重工和住友公司采用已經(jīng)運(yùn)行1年和3年的HCM2S(T23)鋼進(jìn)行蠕變斷裂試驗(yàn)，并與沒有經(jīng)過運(yùn)行的HCM2S鋼做對(duì)比，如圖所示。運(yùn)行3年，相當(dāng)于在550～600℃溫度下，時(shí)效約2萬h。從給出的結(jié)果看，試樣的測(cè)試結(jié)果仍然落在原始材料相應(yīng)斷裂應(yīng)力和時(shí)間的分散帶內(nèi)，說明在上述條件下運(yùn)行過的材料還不至于構(gòu)成運(yùn)行以后材料蠕變斷裂強(qiáng)度曲線的明顯改變。

31T23、T24鋼的性能冷變形對(duì)蠕變斷裂強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)了冷作變形對(duì)蠕變斷裂強(qiáng)度的影響，如圖所示?？梢钥吹?，當(dāng)冷變形量超過20％以后，會(huì)對(duì)蠕變斷裂強(qiáng)度有明顯的降低作用。因此，在冷變形量達(dá)到20％以后。為了保證蠕變斷裂強(qiáng)度，就必須在彎曲加工以后進(jìn)行正火加回火處理。1.7T23／P23、T24／P24鋼的時(shí)效性能

31T23、T24鋼的性能圖1、圖2分別表示了在550～600℃下運(yùn)行3年以后HCM2S鋼的強(qiáng)度和硬度變化情況，圖中也列出了T22和TP347H的結(jié)果，在550～600℃的范圍內(nèi)運(yùn)行3年的過程中，HCM2S(T23／P23)鋼的強(qiáng)度和硬度沒有實(shí)質(zhì)性的變化?？墒菍?duì)它的沖擊韌度影響明顯。31T23、T24鋼的性能圖3是在550～600℃下運(yùn)行3年過程中T23／P23鋼沖擊韌度的變化情況。其沖擊韌度從運(yùn)行前的250J／cmz降到l萬h后的120J／cm2。繼續(xù)又降低到2萬h后的100J／cm2左右。在1萬h以后降低的速率變小，而且在2萬h后的韌度還能保持在100J／cm2左右。

圖4表示對(duì)T23／P23鋼時(shí)效傾向的進(jìn)一步試驗(yàn)結(jié)果。圖中結(jié)果說明，T23／P23鋼的時(shí)效傾向在550℃時(shí)最為明顯，溫度升高到600、650℃時(shí)，時(shí)效傾向就消失了。在550℃時(shí)的時(shí)效過程特點(diǎn)是：在開始運(yùn)行的3000h內(nèi)，時(shí)效發(fā)生得最劇烈，在隨后的時(shí)間里，時(shí)效引起的韌度降低速率就開始按指數(shù)遞減，1萬h以后幾乎已經(jīng)穩(wěn)定.看不到韌度再有明顯的降低。如果按照第三章所描述這類鋼的時(shí)效規(guī)律的話，則長(zhǎng)期使用后鋼的韌度應(yīng)該不至于降低到危險(xiǎn)的程度。目前的T23鋼，還只用于制造小徑管構(gòu)件，且時(shí)效后的韌性還不是很低。因此還無需過分擔(dān)憂。但是T23／P23鋼的目標(biāo)使用溫度畢竟恰好是500～550℃或570~C。因此.對(duì)于制造大直徑厚壁構(gòu)件的P23鋼來說，應(yīng)對(duì)它的時(shí)效傾向引起注意。

31T23、T24鋼的性能與T23／P23鋼相比，T24／P24鋼的時(shí)效傾向小得多。圖5表示了在550℃下長(zhǎng)期時(shí)效過程中T24／P24鋼的力學(xué)性能變化情況。時(shí)效1萬h的T24／P24鋼的強(qiáng)度沒有什么變化，只有在1萬h以后強(qiáng)度才有降低的趨勢(shì)，不過降低的速度很慢，它的σb和σ0.2在經(jīng)過5萬～6萬h后共降低了30MPa左右。與此同時(shí)，伸長(zhǎng)率沒有明顯變化。經(jīng)過5萬～6萬h時(shí)效以后，T24／P24鋼的沖擊韌度雖然也有所降低，但降低的幅度不大，遠(yuǎn)比T23／P23鋼的小，僅從原始的280J降到230J左右。時(shí)效過程中沖擊韌度降低的特性和T23／P23鋼的相同，也是在時(shí)效過程開始的3000h左右降低得快些。以后逐步趨于穩(wěn)定。

由此，從時(shí)效的角度出發(fā)，T24／P24鋼優(yōu)于T23／P23鋼。因此，T24／P24鋼除了可以滿足制造USC鍋爐的水冷壁外，也是制造用于500～550℃范圍內(nèi)工作的厚壁蒸汽管道的材料，此時(shí)其強(qiáng)度不僅遠(yuǎn)高于P22鋼，也可以作為P91鋼的代用鋼。31T23、T24鋼的性能

綜觀上述各項(xiàng)性能，這兩種鋼的物理和力學(xué)性能都很接近。因而通常將它們視為同類鋼。但仔細(xì)比較可以發(fā)現(xiàn)，在力學(xué)性能方面，從室溫到550℃，T24／P24鋼都略優(yōu)于T23／P23鋼。此外，T24／P24鋼在500～550℃內(nèi)沒有明顯的時(shí)效傾向，并且也沒有明顯的再熱裂紋傾向，因此除了可以制造鍋爐受熱面小徑管外，鋼材制造商明確推薦還可以用P24制造在500～550℃下使用的蒸汽管道等厚壁構(gòu)件。

對(duì)于T23／P23鋼，雖然已經(jīng)列入了ASMECODECASE2199-l。但還沒有見到用于厚壁構(gòu)件的推薦，1996年前后，我國(guó)鍋爐制造企業(yè)曾在與住友簽訂的“試驗(yàn)委托合同”基礎(chǔ)上對(duì)住友生產(chǎn)的HCM2S鋼管進(jìn)行了材料性能和焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)于2000年完成。根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果，小直徑管已經(jīng)被沁北600MW超臨界和玉環(huán)900MW超超臨界鍋爐采用。大直徑厚壁管的母材性能試驗(yàn)合格，焊接接頭性能不合格，因此未被推薦。2002年重新進(jìn)行大直徑厚壁管的試驗(yàn)，試驗(yàn)管的規(guī)格是φ350×50mm。試驗(yàn)結(jié)果說明母材性能達(dá)到了ASMECODECASE2199—1的規(guī)定，焊接接頭持久強(qiáng)度的外推值為99～108MPa。31T23、T24鋼的性能1.8T23／P23、T24／P24鋼的耐蝕性

31T23、T24鋼的性能從上述所列的T23／P23、T24／P24鋼的化學(xué)成分可以預(yù)期這兩種鋼的抗氧化性能很接近。因此，在討論它們的抗腐蝕性時(shí)，主要是通過與T22／P22、T91／P91等鋼做比較來進(jìn)行。

（1）高強(qiáng)度的馬氏體鋼在焊后做PWHT處理以前，大多都有較大的應(yīng)力腐蝕開裂傾向。為此，要求這類接頭焊后應(yīng)該保持環(huán)境干燥，并盡快進(jìn)行PWHT處理。按照DIN50915標(biāo)準(zhǔn)，在室溫條件下，在pH值為3的Na2S04／H2S04+H2S溶液中對(duì)T24／P24鋼和T22／P22鋼焊態(tài)接頭進(jìn)行應(yīng)力腐蝕敏感性試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，T24／P24鋼對(duì)陰極應(yīng)力腐蝕的敏感性小于T22／P22鋼對(duì)陰極應(yīng)力腐蝕的敏感性。這類鋼對(duì)陰極應(yīng)力腐蝕的敏感性較低的現(xiàn)象是與其焊后焊接區(qū)域的硬度較低(都在350HV以下)有關(guān)。

（2）圖1表示了在0.25％S02—3％02—15％C02一bal.N280％V20；一20％Na2S04的煙氣中，T23／P23鋼與幾種鋼抗高溫?zé)煔飧g能力的比較：圖2和圖3比較了幾種鋼的抗蒸汽氧化性能?？梢钥吹剑琓23／P23鋼的高溫?zé)煔飧g失重與T22鋼相當(dāng)：蒸汽氧化層的厚度也與T22鋼的相近。當(dāng)然，含Cr量更高的T91鋼和TP347H鋼的抗蝕能力比T23／P23鋼和T22鋼要好得多。上述測(cè)試數(shù)據(jù)說明：由于T23／P23、T24／P24鋼的Cr含量與T22／P22鋼相當(dāng)?它們的抗蒸汽氧化、抗高溫?zé)煔飧g性能也就和T22／P22鋼很接近。差別較明顯的是應(yīng)力腐蝕敏感性，T23／P23、T24／P24鋼在焊態(tài)下硬度較低。使它們?cè)诳箲?yīng)力腐蝕方面優(yōu)于T22／P22鋼。31T23、T24鋼的性能1.9T23／P23、T24／P24鋼的焊接T23／P23、T24／P24鋼的焊接性，遠(yuǎn)比其前身T22／P22鋼、鋼102優(yōu)越。T23／P23、T24／P24鋼對(duì)冷裂紋的敏感性很低，T23／P23鋼無裂紋傾向預(yù)熱溫度為室溫20℃，而其前身T22／P22鋼的無裂紋傾向預(yù)熱溫度為300℃，可見T23／P23和T24／P24這兩種鋼是鐵素體耐熱鋼中冷裂紋傾向較低的。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，焊接薄壁、小直徑鍋爐受熱面管時(shí)，若環(huán)境和工件溫度在20℃以上，就可以不做焊前預(yù)熱。瓦魯瑞克—曼內(nèi)斯曼公司提供的試驗(yàn)結(jié)果也能夠證實(shí)這一估計(jì)。該試驗(yàn)觀察了T24鋼小徑管的預(yù)熱效果，發(fā)現(xiàn)預(yù)熱170℃和不預(yù)熱，焊接接頭最高硬度都在350HV左右，沒有發(fā)現(xiàn)兩者有實(shí)質(zhì)性差別。但是對(duì)于厚壁構(gòu)件的焊接，還是需要作適當(dāng)?shù)念A(yù)熱。此時(shí)建議采用左圖所示的加熱曲線進(jìn)行。圖中焊接階段的預(yù)熱和層間溫度不一定必須達(dá)到250～300℃那樣高，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇盡可能低一些的層間溫度。焊接完成以后，需要將接頭冷卻到100℃以下。以便使焊接區(qū)的組織細(xì)轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w+馬氏體。如果焊接完成后直接升溫進(jìn)行回火加熱.可能使焊接區(qū)域內(nèi)部分沒有完成貝氏體轉(zhuǎn)變的奧氏體發(fā)生高溫轉(zhuǎn)變。31T23、T24鋼的性能

T23鋼具有再熱裂紋傾向，在600～770℃溫度圍，斷面收縮率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于T22鋼，并且小于15％，表明T23鋼的再熱裂紋敏感性遠(yuǎn)高于T22鋼的再熱裂紋敏感性。好在如果用T23鋼制造膜式水冷壁等薄壁小直徑構(gòu)件時(shí)，本來就不希望進(jìn)行PWHT。但在必須對(duì)T23鋼進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎，尤其是對(duì)T23鋼焊接管座接頭進(jìn)行焊后熱處理時(shí)更要小心。此時(shí)，應(yīng)盡量防止在進(jìn)行焊后熱處理時(shí)存在有附加應(yīng)力，應(yīng)該盡可能改善焊趾部位的形狀。31T23、T24鋼的性能焊接接頭在不同溫度下的沖擊試驗(yàn)(a)GTAW焊縫金屬(不熱處理)：(b)GTAW熔合線(不熱處理)：(c)SMAW焊縫金屬(不熱處理)；(d)SM_AW熔合線(不熱處理)；(e)SMAW焊縫金屬(熱處理)；(f)SMAW熔合線(熱處理)31T23、T24鋼的性能

T23／P23、T24／P24鋼也是細(xì)晶強(qiáng)韌型鐵素體耐熱鋼，它們也具有焊縫韌性低以及焊縫韌性對(duì)焊接工藝參數(shù)敏感的特點(diǎn)。資料介紹了用GTAW和SMAW兩種方法焊接壁厚為15mm的T23鋼得到接頭的沖擊韌度結(jié)果如上圖所示。上圖

(a)中用GTAW方法焊接的焊縫，即使在焊態(tài)下它的韌性也是優(yōu)良的，其0℃的韌度還在200J／cm2以上，它的脆性轉(zhuǎn)變溫度在-10℃左右。如果與T23／P23鋼母材相比，雖然略低于水淬冷卻的母材，但仍相當(dāng)優(yōu)良。焊態(tài)下熔合線的韌度也是很優(yōu)良的，如上圖

(b)所示?？墒遣捎煤笚l電弧焊焊接的焊縫，在焊后熱處理前，室溫下的韌度僅為30J／cm2左右，如上圖(c)所示。只有在經(jīng)過熱處理后，才達(dá)到l00J／cm2以上。如上圖(e)所示。這些數(shù)據(jù)說明，用SMAW方法焊接的焊縫必須經(jīng)過熱處理以后才能使其韌度達(dá)到較高的水平。與焊縫金屬不同，熔合線部位的韌度高得多，其韌度在焊后熱處理前后上平臺(tái)值幾乎是相同的。熱處理減低了脆性轉(zhuǎn)變溫度，如上圖(d)和上圖(f)所示。這一結(jié)果說明，這類鋼焊接接頭韌性的矛盾也只是顯露在焊縫部位。而且是在采用SMAW方法焊接的焊縫部位。同時(shí)也說明了焊接方法對(duì)這類鋼的焊縫韌性有極為明顯的影響。從上圖的結(jié)果可以看到?如果全部采用GTAW方法焊接?接頭各部位的韌度都足夠高；接頭焊態(tài)的最高硬度可以為小于等于300HV?？梢栽试S不做焊后熱處理.因此建議盡可能完全采用GTAW方法來焊接，這樣就可以免去對(duì)構(gòu)件進(jìn)行焊后熱處理。31T23、T24鋼的性能試驗(yàn)方案沖擊試驗(yàn)(J)焊接方法焊接材料焊接位置焊接電流(A)預(yù)熱(℃)層間(℃)熱處理(℃／h)平焊上45°立焊仰焊GTAW’UNIONICr2WV5G100～120無200—230730—7509878.5224-265210湖南火電公司介紹了對(duì)φ45×7.8mm的T23鋼管采用GTAW進(jìn)行水平固定焊接的結(jié)果，見下表。從下表中可以看到，雖然整條焊縫采用了同一的焊接工藝參數(shù)。但在這同一條焊縫上各個(gè)部位的韌度是不同的，上爬坡45°部位和平焊部位。即管子的上半部。其韌度比下半部的差，而且差距還很明顯。這個(gè)事實(shí)說明，焊接后的冷卻速度對(duì)這類鋼焊縫韌度的影響是很大的。在采用同一工藝參數(shù)焊接小直徑鋼管時(shí)，沿鋼管各部位焊接后的冷卻速度是不同的。上爬坡45°部位和平焊部位的冷卻速度比仰焊位置和立焊位置的慢。冷卻速度對(duì)焊縫韌度的這種影響與上面“不同冷卻速度下T23、T24鋼的沖擊韌性示意圖”的結(jié)果很吻合。這個(gè)冷卻速度實(shí)際上就是指t8/5。

表4-8中，雖然所有的沖擊韌性值都高于41J的要求，但要注意，這個(gè)結(jié)果是經(jīng)過焊后熱處理得到的，焊接工作者要注意這種對(duì)冷卻速度敏感的特性。

T23鋼焊接試驗(yàn)的結(jié)果

31T23、T24鋼的性能T23鋼焊接接頭焊態(tài)的蠕變斷裂強(qiáng)度

綜合以上對(duì)接頭韌度的討論，為了保證厚壁構(gòu)件SMAW焊縫的沖擊韌度，所須采用的措施為：應(yīng)該注意保持較小的t8/5、應(yīng)該進(jìn)行焊后熱處理以及選擇合理的焊接材料。

左圖表示T23鋼焊接接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度。這組結(jié)果告知，T23鋼在焊后即使不進(jìn)行焊后熱處理，GTAW和SMAW兩種方法焊接的接頭的蠕變斷裂強(qiáng)度也都能落在母材數(shù)據(jù)帶的范圍內(nèi)。因此僅僅從確保蠕變斷裂強(qiáng)度出發(fā)是沒有必要進(jìn)行焊后熱處理的。

從圖中也看到.隨著試驗(yàn)溫度的提高、試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)(試驗(yàn)應(yīng)力的降低).接頭蠕變斷裂強(qiáng)度有低于母材蠕變斷裂強(qiáng)度分散帶下限值的趨勢(shì)，也就是接頭熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的Ⅳ型蠕變損傷斷裂現(xiàn)象。這種鋼由于和2.25Cr-Mo的成分接近，因此其Ⅳ型損傷的特點(diǎn)會(huì)更接近。二、T23、T24鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀32T23、T24鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀32T23、T24鋼的應(yīng)用現(xiàn)狀T23和T24鋼具有良好的焊接性、優(yōu)良的韌性、充分高的蠕變強(qiáng)度和不需要焊后熱處理等特點(diǎn)。

鍋爐的水冷壁大多是膜式壁，由于鍋爐容量增大，為了提高效率，希望增大受熱面積，為此需要減小管徑，這樣就使水冷壁變成為更大更薄的結(jié)構(gòu)。如果仍采用傳統(tǒng)的鐵素體—貝氏體耐熱鋼，如ASTMA213—T12(13CrMo44)和ASTMA213—T22(10CrMo910)來制作，焊后就需要進(jìn)行焊后熱處理。對(duì)這樣大而薄的平面形構(gòu)件實(shí)施熱處理不僅難度很大，而且構(gòu)件在受熱后極易產(chǎn)生扭曲變形，且這種扭曲變形是極難矯正的。因此，從工藝要求出發(fā)，制作鍋爐水冷壁的需要采用的鋼材不僅應(yīng)該在550～570℃下具有足夠的蠕變斷裂強(qiáng)度，而且要求焊前不用預(yù)熱、焊后不必?zé)崽幚淼暮附有粤己玫匿摬?。因此T23和T24鋼用于鍋爐水冷壁管有其明顯的優(yōu)勢(shì)。

另外因T23和T24有較好的高溫性能，所以也見用于鍋爐末級(jí)過熱器管的制造，如鎮(zhèn)江發(fā)電有限公司＃5、#6機(jī)組末級(jí)過熱器冷段就設(shè)計(jì)使用T23材料。三、T23、T24鋼應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題及其原因分析和建議33T23、T24鋼應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題及其原因分析和建議33T23、T24鋼應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題及其原因分析和建議3.1某600MW超臨界鍋爐高溫過熱器多次發(fā)生氧化皮堵塞爆管1) 現(xiàn)象描述鎮(zhèn)江發(fā)電有限公司#6機(jī)在2006年9月份由于末級(jí)再熱器管泄漏出現(xiàn)一次非停，在停爐及起動(dòng)過程中由于對(duì)升降溫的速率控制不好。導(dǎo)致末級(jí)過熱器#1（TP347材料）管氧化皮大面積剝落，使出口彎頭積存了大量的磁性極強(qiáng)的氧化皮，引起末級(jí)過熱器#1管反復(fù)爆管，自此以后在末級(jí)過熱器#7~12管又多次發(fā)生生氧化皮堵管爆管（多為T23和TP347材料）

。此情況直到2007年2月份將末級(jí)過熱器冷段T23材料更換為T91后方才好轉(zhuǎn)。至此該廠＃6爐末級(jí)過熱器目前共發(fā)生6次爆漏和1次管子超溫懷疑與氧化皮有關(guān)。33T23、T24鋼應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題及其原因分析和建議原因分析：

上述爆管情況經(jīng)分析推斷主要為在機(jī)組啟、停爐或負(fù)荷改變過程中升、降溫的較大脈動(dòng)引發(fā)末級(jí)過熱器管排內(nèi)壁氧化皮剝落所致，而氧化皮一旦剝落，如果不能對(duì)其進(jìn)行徹底處理，對(duì)存在氧化皮的管子進(jìn)行徹底更換，在啟、停爐過程中氧化皮更易剝落導(dǎo)致重新在管內(nèi)聚集、堵塞直至超溫爆管，這與短期內(nèi)高過反復(fù)爆管的情況基本吻合。

在日本IHI和丹麥電業(yè)聯(lián)合體ELSAM的研究中均提出：氧化皮的成長(zhǎng)存在邊界效應(yīng)，即隨時(shí)間推移氧化皮將達(dá)到臨界厚度，此后氧化皮將開始剝落，產(chǎn)生剝落的原因主要是氧化皮與母材的膨脹系數(shù)不同，兩者差距越大其剝落的可能性越大，特別在載荷變化迅速、鍋爐啟停等情況下，氧化皮更易剝離。T23材料設(shè)計(jì)抗氧化溫度為593℃，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)長(zhǎng)期使用內(nèi)壁溫度常常接近或超過設(shè)計(jì)值，其在使用中壁厚較大而承受的應(yīng)力相對(duì)較小，在相對(duì)較高的溫度下運(yùn)行（即長(zhǎng)時(shí)超溫下運(yùn)行一段時(shí)間），會(huì)產(chǎn)生大量的易脫落的氧化層，而氧化皮的剝離通常發(fā)生在多層結(jié)構(gòu)中各氧化層之間。

氧化皮堵塞氧化皮脫落單根末級(jí)過熱器管中清理出的氧化皮碎片脫落的氧化皮33T23、T24鋼應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題及其原因分析和建議氧化皮堵塞氧化皮脫落T23管內(nèi)壁氧化皮脫離情況T23管內(nèi)壁氧化皮脫離情況33T23、T24鋼應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題及其原因分析和建議

為防止氧化皮堵塞超溫爆管，建議采取以下措施。1.設(shè)備選型

在設(shè)備選型上主要是審核鍋爐廠高溫受熱面材料設(shè)計(jì)是否合適，在選用高溫受熱面管材時(shí)除考慮高溫強(qiáng)度、材料組織與性能變化外，還應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮材料抗高溫氧化性能。超超臨界鍋爐大量采用國(guó)外進(jìn)口不銹鋼，國(guó)內(nèi)沒有這方面的使用經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外對(duì)這些管材的使用經(jīng)驗(yàn)也有限，沒有完全掌握其各方面的性能。其性能數(shù)據(jù)也不斷修正。對(duì)高溫受熱面管材選用時(shí)建議采用以下原則。(1) 對(duì)于運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少的管材選用時(shí)應(yīng)相對(duì)保守，選用材料時(shí)應(yīng)選高一個(gè)等級(jí)的材料。(2) 盡量選用國(guó)內(nèi)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較多的材料，少選或不選運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)很少的新材料。(3) 一根換熱管盡量采用二種以下的材料，不宜采用很多種材料。換熱管內(nèi)徑盡量選用一致，避免過多的變徑結(jié)合面造成堵塞。在設(shè)計(jì)上另外一個(gè)重要方面是調(diào)溫手段和旁路容量選擇，從防止氧化皮大尺寸脫落的角度看，不宜選擇無旁路系統(tǒng)。對(duì)噴水減溫器的選擇特別應(yīng)注意其漏流問題，不能選擇漏流量大的減溫水調(diào)節(jié)閥（不論在高壓或低壓）。防止措施：

33T23、T24鋼應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題及其原因分析和建議2.運(yùn)行在運(yùn)行中防止氧化皮大尺寸脫落是減少氧化皮堵塞最重要的環(huán)節(jié)。我們?cè)?003年就提出了一些措施，今天我們看到很多電廠都采取了類似的措施來防止氧化皮堵塞。(1)在鍋爐停爐時(shí)應(yīng)避免鍋爐快速冷卻，降低換熱管壁溫降低速率。同時(shí)避免在低負(fù)荷投用減溫水。(2)在鍋爐啟動(dòng)過程中盡量早地投用啟動(dòng)旁路，縮短換熱管內(nèi)“U”型彎內(nèi)積水的蒸干溫升時(shí)間。(3)在沖轉(zhuǎn)和初始升負(fù)荷期間，采用帶旁路啟動(dòng)，盡量建立較大的主蒸汽流量，同時(shí)提高沖轉(zhuǎn)及并網(wǎng)時(shí)蒸汽參數(shù)。(4)在剛并網(wǎng)時(shí)，減小機(jī)組升負(fù)荷速度，降低主蒸汽溫度升溫速率。防止主蒸汽升溫過快影響汽輪機(jī)運(yùn)行安全而在很低負(fù)荷時(shí)投用減溫水。(5)注意在機(jī)組開始升負(fù)荷時(shí)應(yīng)保證蒸汽流量的同步增加，避免出現(xiàn)蒸汽流量不增加，蒸汽溫度快速增加的現(xiàn)象。(6)在第一次投粉時(shí)，盡量減少磨煤機(jī)初始給煤量，同時(shí)減慢磨煤機(jī)給煤量增加的速率，減緩機(jī)組升負(fù)荷速度。(7)開始投減溫水降溫時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制減溫水流量，控制屏過與高過進(jìn)口汽溫有一定的過熱度。如果減溫水調(diào)門漏流量大，必須避免在低負(fù)荷時(shí)投用減溫水。33T23、T24鋼應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題及其原因分析和建議(8)建議首次投用減溫水時(shí)，盡量投一級(jí)減溫水，不要同時(shí)投一級(jí)減溫水與二級(jí)減溫水。(9)若開始投減溫水時(shí)減溫水量難以控制，建議增加容量小、低蒸汽流速狀況下霧發(fā)好的啟動(dòng)旁路減溫器。(10)建議每次啟動(dòng)時(shí)，帶負(fù)荷至機(jī)組一半負(fù)荷時(shí)，應(yīng)保持一段時(shí)間采用低參數(shù)振蕩負(fù)荷運(yùn)行方式。之后較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在2/3~3/4負(fù)荷區(qū)，并采用大流量、低參數(shù)運(yùn)行方式，最好蒸汽流速能超過滿負(fù)荷運(yùn)工況；由于氧化皮的堵塞是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，擾動(dòng)有可能將這種亞穩(wěn)定狀態(tài)破壞，可以在此負(fù)荷范圍內(nèi)采用蓄壓變負(fù)荷或者同時(shí)采用調(diào)節(jié)旁路等措施，采用較大流量擾動(dòng)等類似沖管方式?jīng)_洗換熱管內(nèi)可能存在的氧化皮搭橋現(xiàn)象。(11)建議增加鍋爐高過、屏過與高再等高溫受熱面出口壁溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，防止運(yùn)行中換熱管超溫，同時(shí)也能使換熱管堵塞現(xiàn)象盡可能多地被監(jiān)測(cè)到。(12)