高壓加熱器封頭用13MnNiMoR鋼板的應用研究

曹 健，趙佳鳴，蔣 華

(1.上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海200090；2.中電神頭發電有限責任公司，山西 朔州 036013)

0 前言

高壓加熱器(簡稱高加)是火力發電廠回熱系統中的重要設備，利用汽輪機的抽汽加熱鍋爐給水，使給水達到所要求的溫度，從而提高電廠的熱效率，并有助于機組的安全運行。高壓加熱器停運時機組常會降低發電負荷10%～15%，因此電廠對高壓加熱器的穩定運行均較為重視[1]。 高壓加熱器由管側和殼側兩大部分組成，管側部分的水室球形封頭材料常采用美國ASME牌號SA516Gr70鋼板或是GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》中牌號Q345R鋼板。隨著國內電力工業的迅速發展，高參數和大容量機組的數量在不斷增加，使得管側的壓力不斷增加，若繼續使用SA516Gr70、Q345R鋼板作為水室封頭材料，水室的厚度將大幅增加，部分鋼板設計厚度將超出標準厚度范圍，鋼廠難以軋制出超標準厚度的鋼板，且鋼板的力學性能難以保證。為了尋求更經濟可靠的鋼板材料，逐步開始采用牌號13MnNiMoR的鋼板作為制造水室封頭的材料。

1 材料介紹

13MnNiMoR鋼板的制造標準為GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》，是從德國引進的一個鋼種，在德國其牌號為13MnNiMo5-4(BHW35)，屬于Mn-Mo-Ni系列的合金鋼，其主要合金元素的作用如下：

錳Mn：能夠提高鋼的強度，隨著鋼中Mn含量的增加，鋼的強度和硬度會升高。但是Mn容易導致晶粒粗大，增加鋼材的回火脆性，所以Mn含量控制在1.50%以下為宜。

鉬Mo：在固溶于鐵素體和奧氏體時，Mo可以顯著提高鋼的淬透性和鋼的再結晶溫度，提高回火穩定性，調質后可以得到細晶粒的索氏體，使韌性得到改善。

鎳Ni：主要可以提高鋼的塑性，改善鋼的低溫韌性，使鋼韌脆性轉變溫度降低。

鈮Nb：微量鈮可以在不影響鋼的塑性或韌性的情況下，提高鋼的強度。細化晶粒可以提高鋼的沖擊韌性并降低其脆性轉變溫度。

該鋼適用于工作溫度不超過400 ℃的各種焊接和承壓部件，水室封頭所在的高壓加熱器管側一般設計溫度不超過300 ℃。

與SA516Gr70和Q345R鋼板相比，13MnNiMoR材料具有更高的強度更低的脆性轉變溫度和更高的低溫沖擊韌性。三種材料的化學成分對比見表1，力學性能對比見表2。

表1 13MnNiMoR與SA516Gr70、Q345R化學成分對比 單位：%

表2 13MnNiMoR與SA516Gr70、Q345R力學性能對比

如表2所示13MnNiMoR鋼板的的抗拉強度和屈服強度遠高于SA516Gr70和Q345R，相應溫度下的許用應力也大于SA516Gr70和Q345R，同時0 ℃下進行的沖擊試驗的沖擊吸收能量平均值要求也高于SA516Gr70和Q345R。因此，選用13MnNiMoR材料制造水室封頭，在不降低材料韌性的情況下是可以大幅減薄封頭厚度的。設計人員根據目前1 000 MW單列高壓加熱器的設計參數，在選取相同管板材料的情況下進行設計，方案對比見表3。

表3 13MnNiMoR與SA516Gr70、Q345R設計方案對比

從上述3種參數條件下設計方案的對比來看，選用13MnNiMoR材料時，水室封頭的厚度較其余兩個牌號的鋼板更薄、重量也更輕。因此，綜合考慮3種材料的價格因素，在降低鋼板的制造難度提升鋼板性能的同時，采用13MnNiMoR鋼板作為水室封頭的材料還能夠帶來可觀的經濟效益。

2 封頭的制造與使用

封頭采用熱壓成型，封頭的制造和驗收需要滿足GB/T 25198-2010《壓力容器封頭》的要求,成形后需要對封頭進行正火加回火熱處理來恢復性能。

在隨后的使用中，封頭需采用氣割加機加工的方式開3個孔，用于安裝進出口水管和人孔，采用角焊縫形式焊接。

最終，水室封頭與管板采用環縫焊接，這是高壓加熱器最重要且工作量最大的焊縫。焊后，需要對焊接接頭進行去應力退火熱處理，一般采用620 ℃作為退火溫度。

3 13MnNiMoR鋼板的應用

從上述封頭的制造工藝和使用看，水室封頭在整個過程中會有多次的熱循環處理過程，即熱壓+正火+回火+去應力退火，熱處理及冷卻方式是影響材料性能的主要因素。因此，對于封頭壓制成形后的正火加回火熱處理以及焊接后的去應力熱處理，需要取樣進行力學性能試驗以驗證熱處理效果。考慮到封頭的后續制造，力學性能的試樣可取自開孔位置。

1 000 MW機組的高壓加熱器，其水室封頭用的鋼板厚度基本大于100 mm，部分參數較高的機組，封頭厚度達到150 mm，也是GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準中規定的13MnNiMoR鋼板的厚度上限。13MnNiMoR的交貨狀態為正火加回火。在正火熱處理后，通常會采用空冷的方式進行冷卻，但對于厚度較大的鋼板，空冷的方式會使內部冷卻速率不足，導致碳化物沿鐵素體晶界析出，在后續高溫回火過程中碳化物再次長大，最終會使鋼板的沖擊韌性顯著降低[2]，尤其是在封頭壓制成形后，鋼板的形狀發生改變，更不利于冷卻。因此，為了避免由于冷卻速率不足導致封頭沖擊韌性達不到要求，根據實際使用經驗，13MnNiMoR材料在正火后應采取水冷的方式進行冷卻。選取了由同一軋制張鋼板制造的兩個封頭進行恢復性能熱處理，正火處理后采用不同冷卻方式，進行沖擊性能對比，結果見表4。

表4 沖擊試驗結果對比

選取某1 000 MW機組高壓加熱器的封頭，按GB/T 25198-2010《壓力容器封頭》的要求進行熱壓封頭，并進行正火加回火的恢復性能熱處理，正火后采用水冷。然后從其人孔處取樣，一組試樣在恢復性能的狀態下進行力學性能試驗，一組試樣先進行模擬焊后熱處理后進行力學性能試驗。試驗結果如表5所示。

表5 封頭力學性能試驗結果

從上表的力學性能數據對比可以看出，封頭試樣模擬焊后熱處理后的性能完全滿足標準要求。隨后，此封頭被安裝在國內某電廠的高壓加熱器上，投入了正常的運行。

4 結 論

通過應用13MnNiMoR鋼板材料來制造高壓加熱器的水室封頭，在保證性能的基礎上，大幅度降低水室封頭的厚度和重量。同時，由于材料厚度的減薄，也能帶來焊接等工作量的減少。但在應用13MnNiMoR鋼板壓制封頭后，進行恢復性能熱處理時，應注意正火后對于冷卻速度的控制，避免由冷卻速度不足而帶來的性能降低。