高压加热器封头用13MnNiMoR钢板的应用研究

曹 健，赵佳鸣，蒋 华

(1.上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海200090；2.中电神头发电有限责任公司，山西 朔州 036013)

0 前言

高压加热器(简称高加)是火力发电厂回热系统中的重要设备，利用汽轮机的抽汽加热锅炉给水，使给水达到所要求的温度，从而提高电厂的热效率，并有助于机组的安全运行。高压加热器停运时机组常会降低发电负荷10%～15%，因此电厂对高压加热器的稳定运行均较为重视[1]。 高压加热器由管侧和壳侧两大部分组成，管侧部分的水室球形封头材料常采用美国ASME牌号SA516Gr70钢板或是GB/T 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》中牌号Q345R钢板。随着国内电力工业的迅速发展，高参数和大容量机组的数量在不断增加，使得管侧的压力不断增加，若继续使用SA516Gr70、Q345R钢板作为水室封头材料，水室的厚度将大幅增加，部分钢板设计厚度将超出标准厚度范围，钢厂难以轧制出超标准厚度的钢板，且钢板的力学性能难以保证。为了寻求更经济可靠的钢板材料，逐步开始采用牌号13MnNiMoR的钢板作为制造水室封头的材料。

1 材料介绍

13MnNiMoR钢板的制造标准为GB/T 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》，是从德国引进的一个钢种，在德国其牌号为13MnNiMo5-4(BHW35)，属于Mn-Mo-Ni系列的合金钢，其主要合金元素的作用如下：

锰Mn：能够提高钢的强度，随着钢中Mn含量的增加，钢的强度和硬度会升高。但是Mn容易导致晶粒粗大，增加钢材的回火脆性，所以Mn含量控制在1.50%以下为宜。

钼Mo：在固溶于铁素体和奥氏体时，Mo可以显著提高钢的淬透性和钢的再结晶温度，提高回火稳定性，调质后可以得到细晶粒的索氏体，使韧性得到改善。

镍Ni：主要可以提高钢的塑性，改善钢的低温韧性，使钢韧脆性转变温度降低。

铌Nb：微量铌可以在不影响钢的塑性或韧性的情况下，提高钢的强度。细化晶粒可以提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度。

该钢适用于工作温度不超过400 ℃的各种焊接和承压部件，水室封头所在的高压加热器管侧一般设计温度不超过300 ℃。

与SA516Gr70和Q345R钢板相比，13MnNiMoR材料具有更高的强度更低的脆性转变温度和更高的低温冲击韧性。三种材料的化学成分对比见表1，力学性能对比见表2。

表1 13MnNiMoR与SA516Gr70、Q345R化学成分对比 单位：%

表2 13MnNiMoR与SA516Gr70、Q345R力学性能对比

如表2所示13MnNiMoR钢板的的抗拉强度和屈服强度远高于SA516Gr70和Q345R，相应温度下的许用应力也大于SA516Gr70和Q345R，同时0 ℃下进行的冲击试验的冲击吸收能量平均值要求也高于SA516Gr70和Q345R。因此，选用13MnNiMoR材料制造水室封头，在不降低材料韧性的情况下是可以大幅减薄封头厚度的。设计人员根据目前1 000 MW单列高压加热器的设计参数，在选取相同管板材料的情况下进行设计，方案对比见表3。

表3 13MnNiMoR与SA516Gr70、Q345R设计方案对比

从上述3种参数条件下设计方案的对比来看，选用13MnNiMoR材料时，水室封头的厚度较其余两个牌号的钢板更薄、重量也更轻。因此，综合考虑3种材料的价格因素，在降低钢板的制造难度提升钢板性能的同时，采用13MnNiMoR钢板作为水室封头的材料还能够带来可观的经济效益。

2 封头的制造与使用

封头采用热压成型，封头的制造和验收需要满足GB/T 25198-2010《压力容器封头》的要求,成形后需要对封头进行正火加回火热处理来恢复性能。

在随后的使用中，封头需采用气割加机加工的方式开3个孔，用于安装进出口水管和人孔，采用角焊缝形式焊接。

最终，水室封头与管板采用环缝焊接，这是高压加热器最重要且工作量最大的焊缝。焊后，需要对焊接接头进行去应力退火热处理，一般采用620 ℃作为退火温度。

3 13MnNiMoR钢板的应用

从上述封头的制造工艺和使用看，水室封头在整个过程中会有多次的热循环处理过程，即热压+正火+回火+去应力退火，热处理及冷却方式是影响材料性能的主要因素。因此，对于封头压制成形后的正火加回火热处理以及焊接后的去应力热处理，需要取样进行力学性能试验以验证热处理效果。考虑到封头的后续制造，力学性能的试样可取自开孔位置。

1 000 MW机组的高压加热器，其水室封头用的钢板厚度基本大于100 mm，部分参数较高的机组，封头厚度达到150 mm，也是GB/T 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》标准中规定的13MnNiMoR钢板的厚度上限。13MnNiMoR的交货状态为正火加回火。在正火热处理后，通常会采用空冷的方式进行冷却，但对于厚度较大的钢板，空冷的方式会使内部冷却速率不足，导致碳化物沿铁素体晶界析出，在后续高温回火过程中碳化物再次长大，最终会使钢板的冲击韧性显著降低[2]，尤其是在封头压制成形后，钢板的形状发生改变，更不利于冷却。因此，为了避免由于冷却速率不足导致封头冲击韧性达不到要求，根据实际使用经验，13MnNiMoR材料在正火后应采取水冷的方式进行冷却。选取了由同一轧制张钢板制造的两个封头进行恢复性能热处理，正火处理后采用不同冷却方式，进行冲击性能对比，结果见表4。

表4 冲击试验结果对比

选取某1 000 MW机组高压加热器的封头，按GB/T 25198-2010《压力容器封头》的要求进行热压封头，并进行正火加回火的恢复性能热处理，正火后采用水冷。然后从其人孔处取样，一组试样在恢复性能的状态下进行力学性能试验，一组试样先进行模拟焊后热处理后进行力学性能试验。试验结果如表5所示。

表5 封头力学性能试验结果

从上表的力学性能数据对比可以看出，封头试样模拟焊后热处理后的性能完全满足标准要求。随后，此封头被安装在国内某电厂的高压加热器上，投入了正常的运行。

4 结 论

通过应用13MnNiMoR钢板材料来制造高压加热器的水室封头，在保证性能的基础上，大幅度降低水室封头的厚度和重量。同时，由于材料厚度的减薄，也能带来焊接等工作量的减少。但在应用13MnNiMoR钢板压制封头后，进行恢复性能热处理时，应注意正火后对于冷却速度的控制，避免由冷却速度不足而带来的性能降低。