ASME批准认可的第三代新型铁素体耐热钢的性能及应用

ASME 批准认可的第三代新型铁素体耐热钢的性能及应用

北京巴威公司工程部 韩肇俊

本文主要讨论已为 ASME 规范批准认可、适合于在高温受压元件上使用的第三代新型铁素体耐热钢的性能及应用。 由于新钢种具有更高的蠕变断裂强度和良好的综合性能，尤其适合于作为超临界和超、超临界机组锅炉的用钢。

ASME 规范，锅炉耐热钢，USC，超临界机组

前言：

步入新世纪，我国经济发展态势良好，国民经济对于电力的需求旺盛，尽管当前我国的装机数量增加速度很快，但是供电能力仍然有相当大的缺口。 随着大型火力发电机组在各个电网中所占比重的增加，以及为了节约能源和减少大气污染物的排放，目前，我国正处于由生产 300～330 MW 亚临界压力机组 锅炉为主，到更多地以生产 600 MW 及以上容量的亚临界和超临界压力机组锅炉为主的转型期。 目前，各大锅炉厂正面临锅炉容量高达 900 MW ，压力比 24.5 Mpa 或更高，以及蒸汽温度比 543℃/ 569℃、或者比 566℃/ 566℃还要高的超临界锅炉市场竞 争，并且需要尽快为参与蒸汽温度高达 593℃/ 593℃或 600℃/ 600℃的超、超临界锅炉的市场竞争中去作准备。 对于发展超临界机组和超、超临界机组来说，在世界范围内，超临界火力发电技术经过几十年的发展，目前已经是一种成熟的先进技术。在发展过程中，上世 纪的 60 年代，影响早期超临界和超、超临界机组可靠性的主要因素就是材料问题。 美国在 20 世纪 60 年代，首批超临界机组当初的用材模式上，在 T22/P22 材料之后全部为奥氏体不锈钢，也就是在高温受热面管子的选材上依据 T22-TP304H-TP347H 模式做设计，由于过分依赖于奥氏体不锈钢，其结果在制造和运行中发现了一系列的问题，其中关键就是材料问题。 奥氏体不锈钢管子用量大，不仅直接导致材料与制造成本高。在材料的使用性能上，不锈钢热膨胀系数大、导热系数低，如果设计壁厚较厚，必然造成较大的 热应力和疲劳损伤；同时，由于在当时冶金质量上的限制以及不恰当地使用了传统的化工用抗腐蚀 18Cr-8Ni 的 TP304H 材料为主，其应力腐蚀敏感性高，受 热面管子的高温烟灰腐蚀和内壁蒸汽氧化造成严重的运行隐患。此外，还出现了铁素体钢与奥氏体钢之间异种钢焊接接头早期失效问题。 在锅炉集箱与主蒸汽管道的设计上，由于以 P22 材料为主所设计的元件壁厚过厚，热疲劳问题突出，元件的工作寿命不足。 早期超、超临界机组的可用率低，使得几乎所有的电厂不得不又降回到蒸汽参数压力 24.1 Mpa 或以下、以及汽温为 538℃～566℃的亚临界参数下运行，并且 一直持续了 20 多年。而这时期正

是改进和开发新型铁素体钢和新型奥氏体耐热钢的时期。 世界范围建设大型火力发电厂的经验证明：锅炉的设计和制造商必须及时了解新开发完成的钢种和有关技术规程及材料方面的技术进步，适时地通过采用一批 综合性能更高的新钢种来替代技术经济性较低、或者使用中问题较多的老钢种。而优先使用已经为 ASME 规范批准认可的材料是一种正确和可靠的选择。 对于锅炉用钢，为了掌握已经出现了那些新钢种及新型钢材、以及是否已经得到 ASME 的认可使用，应该跟踪最新版的 ASME 规范及《规范案例》和比 ASME 材料标准更新要更早些的最新版 ASTM 材料标准。需要指出的是对于在动力锅炉的设计与制造中如何使用这些新认可材料则必须是依据前者。 （注：这里必须附带说明的是获得 ASME 认可的新钢种，总是首先出现在新版《规范案例》，即 ASME Code Case 中，其时，它只有名义成分是明确的，而 ASME 对钢种的命名却要在之后，也就是要在它们被正式列入到 ASTM 及 ASME 材料标准里后。CACI 协会在翻译出版 ASME Code Case 中译本时，对钢种 命名尽量加译注说明。） 以下，本文将依据 2001 年最新版 ASME 规范和《规范案例》，以及随后出版的 A02 和 A03 增补，还有有关新钢种的性能资料，首先为大家介绍已经为 ASME 规范批准认可的，新型 2.25％～12％Cr 铁素体耐热钢的性能及其应用。本文要重点介绍的五种新钢种为：

2.25％Cr 的 T23 和 T24 钢；9％Cr 的 T92 和 T911 钢和 12％Cr 的 T122 钢；以及适当介绍这些新钢种的其他钢材，例如， T92 以外的 P92 钢管、F92 钢锻件和 Gr.92 钢板。

对于在同一时期内开发并获得 ASME 批准认可的新型奥氏体耐热钢，将另文进行讨论。

1．新型锅炉耐热钢的发展

研究报告表明，20 世纪 80 年代欧洲 13 个国家组织的《欧洲 COST 501 规划》和 1990 年美、日、英和丹麦等国共同参与的 EPRI RP1403-50 国际共同研究计

划对世界范围电站用新型钢材开发的影响最为显著。其中，由日本的住友金属和日本制铁（即，新日铁）两家钢厂开发完成的新钢种最多。

日本引进并应用使用温度为 600～620℃的 T91/P91 钢是从 82 年开始；而从 87 年起则转为以开发新型 2.25％～12％Cr 铁素体耐热钢的研制与实用为主。

日本在 1990 年及其后首批投入运行的、汽温为 593℃/ 593℃及以上的超超临界机组是松浦电厂 2 号、原町电厂 2 号和橘湾电厂的 1 号机组。日本在这些超、 超临界机组上使用的锅炉钢材及所能达到的高可用率，对于我国发展超、超临界参数锅炉进行锅炉设计及选材，有参考价值。

下面给出的图 1 是日本的学者对现有锅炉用铁素体耐热钢新钢种开发所

做的汇总。它们示出了新型耐热钢与原有钢种的关系及其发展历程，同时示出了所采用 的微合金化元素，从而揭示了新钢种开发的冶金原理。在图 1 中不仅包括了由日本的钢铁厂开发的新钢种，还同时列出了象 EM 12、E911 钢等由欧洲开发的 新钢种。

1.1 新型铁素体耐热钢的发展

图 1 按开发先后及蠕变强度高低排序的新型铁素体耐热钢 图 1 中，自上而下，随铬元素含量的不同共三个系列。含铬达到 2-1/4％Cr 为一个系列，例如，列在第一行方框内的、名义成分为 2.25Cr1Mo 的 T22 钢管子。 它以下为 9％Cr 和 12％Cr 系列铁素体钢。图中，方框内示出的是名义成分，方框下示出钢厂命名的钢种牌号，其下，括号内示出的是 ASME 认可钢号及日本 标准批准钢材牌号。

2-1/4％Cr 之后，随铬的含量增加到 7％Cr 以上，便产生新的系列钢，它具有与马氏体一样的微观结构。其中，作为含铬 9％的传统钢种，在 SA-213、SA-335 和 SA-182 及 SA-336 标准中有着名义成分为 9Cr-1Mo 的、钢号为 T9、P9 和 F9 的钢种，它们在图 1 中列为第二行。虽然这些钢种还保留在 ASME 的材料标 准中，但是，由于这些传统钢种的高温强度不够、性能较差，实际很少使用。

图中的第三行，含铬（Cr）为 12％，在美国钢种中，只有棒钢（bar），即图中的 AISI 410，原本并没有管子（tube）等钢材的产品。

在图 1 中除了按铬（Cr）和钼（Mo）两种合金元素的含量排序外，还自左到右，按 600℃、105h 蠕变断裂强度作了排序，分别称之为传统钢种，和第一代到 第四代新钢种。新钢种采用新的合金元素和显微结构，使得钢的蠕变断裂强度及耐热性能得到大幅度提高。这些元素除了 V 以外，是 Nb 和 W ，还有 Cu，Ti 和 B 等元素。对于 9％Cr 和 12％Cr 两个系列来说，当第一代新钢种的 600℃、105h 下的蠕变断裂强度由为 35 提高到 60MPa 时，第二、第三和第四代的新 钢种 600℃、105h 下的高温蠕变断裂强度分别提高为 100、140 和 180 Mpa 。

如图所示，位于最左侧的，即传统的 Cr-Mo 耐热钢是铬（Cr）作为合金元素和钼（Mo）一起使用，并在显微组织中形成稳定的碳化铬，通过增加钢中的铬元

素含量抗氧化、而适于在更高的温度下使用。

在传统的 Cr-Mo 耐热钢的基础上，通过添加钒、钼、铌等合金元素可以提高其 600℃、105h 蠕变断裂强度，达到约 60 MPa 左右。在图中称为第一代改良钢种。 例如，在 2.25Cr-1Mo 钢的基础上，通过添加钒（V）开发出的新钢种为 2.25Cr-1Mo-V 钢，在 SA-832 标准中的 Gr.22V 钢板和 SA-182 及 SA-336 标准中的 F22V 锻件就是 2.25Cr-1Mo-V 钢的产品。

之后，开发出的是通过-C-Mo 和+W+Nb 而产生的新钢种，即图中的

T23 钢。当 T22 钢的蠕变强度只有 35 MPa，而 T23 钢的蠕变强度却可以达到 80 MPa 左 右。它在 550℃到 625℃蠕变温度范围内的蠕变断裂强度是 T22 钢的 2 倍，甚至相当地接近于含 Cr,Mo 量要高得多的 T91 钢。使用同样的冶金原理，由欧洲开 发完成同一代钢种是 T24 钢管子，由于时间上较后、获得批准也较晚，没有示出在该图中。

第二代的代表性钢种是对 9Cr-1Mo 钢通过添加 V 和 Nb 并作优化后获得的 9Cr-1Mo-VNb 的 ASME T91/P91/F91/Gr.91 钢。

当“第二代”新型铁素体耐热钢、9Cr-1Mo-VNb 的 T91/P91 钢在 80 年代初完成开发并获得了 ASME 的批准认可之后，该钢种在世界范围内迅速得到推广应用。 其中，以 T91 钢生产的管子已经成为在金属温度 625～650℃条件下部分替代奥氏体钢、设计亚临界和超临界锅炉的过热器和再热器不可或缺的重要钢种。以 P91 钢生产的钢管从 1989 年起，已在世界范围的超超临界机组上被广泛用作为集箱和主蒸汽管道材料使用，在不接火的条件下蒸汽温度 593℃及以下，长期工 作可靠。

此后，在 9％-12％Cr 钢的开发上取得进一步突破而产生的第三代新型铁素体耐热钢，则主要立足于在-Mo 的同时+W ，或称之为：以钨（W ）替换钼（Mo）元 素，日本的 Fujita 教授发现：由此可以使得 9％～12％Cr-Mo-VNb 钢的蠕变断裂强度提高约 30％之多。第三代首先完成开发的是 NF616，即 T92 钢。

以钨替换钼而使得高温强度得到提高的钢种，在英文资料中一般称为：“钨强化钢”（Tungsten strengthened steels）。已经开发获得成功的钨强化钢，目前有： 9Cr-0.5Mo-1.8W-VNb 的 NF616 钢，即 T92/P92 钢；12Cr-0.5Mo-1.8W-VNb 的 TB12 钢和 12Cr-0.5Mo -2W-CuVNb 的 HCM12A，即 T122/P122 钢。此外， 还有 9Cr-1Mo-1.0W-Nb 的 T911/P911 钢。 其中，住友金属在开发出 t122，即 HCM12A 之前曾经开发过属于第二代的 HCM12 钢，所以，它是在第二代钢基础上改良后产生的新钢种。

上述 4 个新钢种采用钨强化之后， 这些新钢种的共同点是： 600℃、 105h 下的高温蠕变断裂强度提高到了约 140 Mpa， 比第二代的 T91/P91 钢高约 25％～30％。

正在开发中的“第四代”的新型铁素体耐热钢，是日本制铁的 12Cr-WCoNiVNb（NF12）钢和住友金属的 12Cr-WCoVNb（SAVE12）钢。它们通过添加钴（Co） 元素对钢进行微合金化，可以称作为是“钴强化钢”。它们的高温蠕变断裂强度更高，在 600℃、105h 下达到 180 MPa。只是根据 2001 年版的 ASME 规范及随 后发布的规范增补 A02 和 A03，“第四代”的新型铁素体耐热钢，即 NF12 钢和 SAVE12 钢，以及“第三代”中的 TB12 钢，到目前为止尚未获得 ASME 的批准认 可。

2000 年在美国 Florida 召开的“2000 International Joint P

ower Generation Conference”-指出： 第四代新型铁素体钢被认为可能在 650℃蒸汽温度的机组上应用。

对比第二代铁素体耐热钢，第三代新钢种的综合性能有相当大的改进，特别是其中的 T92（NF616）钢和 T122（HCM12A）钢更为突出。图 1 中的下面二行， 9％-12％Cr 耐热钢是各国 Cr-Mo 新型铁素体耐热钢开发研制的重点和超临界及超、超临界锅炉技术发展中的热点。

图 2 所示为第三代新钢种中的 T92 钢、T911 钢和 T122 钢与 T91 铁素体耐热钢及奥氏体耐热钢 TP304H 和 TP347H 钢的许用应力比较。如图中许用应力曲线 所示： T911 钢和 T91 钢的许用应力值相差不大； T92/P92 钢和 T122/P122 钢在 566℃及以下的温度范围内的许用应力， 比 TP347H 奥氏体钢的应力值还要高， 而在 590℃到 650℃的温度范围内的许用应力与 TP347H 奥氏体钢相当接近。

许用应力以及高温强度的提高，可以使得受压元件的壁厚减薄，不仅节约了金属，更因为它们具有较高的导热率和较低的热膨胀系数而有利于减轻高温集箱的 热疲劳损伤。

不仅如此，由于它们是铁素体钢，当在高温蒸汽作用下管子的内壁所产生的氧化膜的组成成分和层厚比较均匀，不容易剥落，其抗剥离性能优于奥氏体钢。这

样便减小了在管子内壁发生应力腐蚀或晶间腐蚀的可能性。

图 2T92/T911/T122 钢与 T91 钢及 TP304H 和 TP347H 奥氏体钢的许用应力比较

所以，在超临界及以上的锅炉上推广使用“第三代”的新型 9％-12％Cr 铁素体耐热钢，提供了这样的可能性：

比较在以往的亚临界锅炉设计上仅仅使用 T91/P91 钢替代奥氏体耐热钢，它们可以更进一步地替代奥氏体钢，在节约成本的同时，有利于提高超临界机组锅炉 的设计性能及运行可靠性。

“第三代”新型 9％-12％Cr 铁素体耐热钢的开发和应用多数属于国际合作计划项目以及欧洲的合作研究项目。 有关的研究报告大多在“Improved Coal-Fired Power Plants”和 EPRI 国际会议上发表。其中，又有较多数量的论文侧重于讨论这些新钢种在超超临界机组上用于制造集箱和主蒸汽管道，也就是用 P92、P911 和 P122 钢替代 P91 钢来适应更高蒸汽参数的使用要求。

如资料[11]指出的那样： 当使用 P91 钢制造集箱和主蒸汽管道时， 一旦厚度超过 100 mm， 则已经超出目前的制造能力。 而使用 P92 钢替代 P91 钢， 由于 600℃、 105h 蠕变断裂强度可以从 98 MPa 提高到 132 MPa，尽管材料价格较高，但是，其壁厚可以减薄约 30％，问题即可解决。

根据日本的研究报告，T92/P92 钢和 T122/P122 钢用于超临界及以上的锅炉上，在 1990 年起，就已经列入到 EPRI 1403-50 国际合作计划项目，内容为对新 钢种部件制造进行跟踪

研究。接着，根据 EPRI WO9000-38 国际合作计划，1995 年起，使用 P92 钢和 P122 钢做集箱筒体和端部大小头及用 T91 钢做管接头 的三根集箱，已经在参数为 290bar、温度为 580℃/580℃/580℃的 400MW 机组上，在丹麦的 Nordjyllandsvaerket 电厂进行工地试验研究。

这些集箱由日本三菱负责制造，集箱结构如图 2 所示。如图中所示在供试验研究的集箱设计上已充分考虑了各种钢种、不同壁厚的焊接接头组合，其中，还包 括与 F91 钢锻件的连接。这些集箱的设计参数为：设计压力 313 bar，设计温度 602℃。它们由丹麦的授权机构按 ASME 规范的第 I 卷要求做制造和安装监检。 根据资料[8]的介绍，欧洲在集箱和主蒸汽管道的设计选材上更偏向于使用 P92 钢和 P911 钢。该资料介绍，使用 P92 钢和 P911 钢制造的主蒸汽管道正在丹麦 和德国的电厂建设中。

图 2 超超临界机组用 P92 钢和 P122 钢集箱和管接头

2．五种新型铁素体耐热钢开发商、钢种牌号和 ASME 认可情况

表 1 所示为这 2.25%~12%Cr 系列中五个新钢种获得 ASME 规范的认可情况。

表中，2.25％Cr 系列的 T23 钢是住友金属开发的，T24 钢是欧洲的 V&M 公司开发的新钢种。9％Cr 系列中的 T92（NF616）、T911（X11CrMoWVNb911） 和 T122（HCM12A）三种新钢种分别是由日本制铁、欧洲钢厂和住友金属开发的。

表中，除了 T24 钢开发得相对晚些因此钢种不全，以及还缺少 Gr.92 的钢板外；其他 4 个新钢种，包括锻件和钢板在内，适合制造锅炉受压元件的钢材品种相 当完整。

表 12.25％-12％Cr 铁素体耐热钢新钢种获得 ASME 规范的认可情况

规范案例 所列出名义成分

ASME 规范案 ASME 批准日期 例 管子（SA-213） --1999.5.4 --1999.10.29 T23 T24 T92 P92 --P23 ---

制品型式 钢管（SA-335） 锻件（SA-182）（SA-336） --F22V F23 --F92 钢板（SA-387） Gr.22V（SA-832） Gr.23 -----

2.25Cr-1Mo-V 2.25Cr-1.6WVNb (7CrMoVTiB10-10) 9Cr-2W

--CC2199-1 --CC2179-3

9Cr-1Mo-1W-Cb (X11CrMoWVNb9-1-1) 12Cr-2W

CC 2327

2000.5.2

T911

P911

F911

Gr.911

CC2180-2

1999.5.4

T122

P122

F122

Gr.122

注： ① 表中首先被纳入到 2001 年版 ASME SA-213 标准中的是 T92 钢， A02 增补中 T23 和 T122 钢在一起已经纳入 SA-213/SA-213M 管子标准。 T24 和 T911 钢已被纳入到 ASTM 的 A 213-01 标准里。

②表格中用括号列出的名义成分是欧洲命名的名义成分及钢号。

3．五种新型铁素体耐热钢的化学成分设计

表 2 所示为已经纳入到上述规范案例和最新版的 ASTM A213/A213M-2001 标准中的上述新型铁素体耐热钢的化学成分。 为了便于比较， 同时列出了 T22 和 T91 钢的化学成分。

表 2 新型铁素体耐热钢的化学成分

标准

钢号

C

Mn

P

S

Si

Cr

Mo

W

V

Cb

Cu

N

B

Ni

Al

2.25％Cr 钢 SA

-213

T22

Max

0.30

Max

Max

0.25

1.9

0.87

--

--

--

--

--

--

--

--

（比较） SA-213 CC-2199-1 T23

0.15 0.04

0.60 0.10

0.030 0.030 Max Max

1.00 Max

2.6 1.9

1.13 0.05 1.45 0.20 0.02 -Max 0.0005 -Max

0.10 SA-213 T24 0.05

0.60 0.30

0.030 0.010 Max Max

0.50 0.15

2.6 2.2

0.30 0.90

1.75 --

0.30 0.20

0.08 -Ti0.05

0.030 Max

0.0060 0.0015 --

0.030 Max

0.10

0.70

0.020 0.010

0.45

2.6

1.10

0.30

0.10

0.012

0.0070

0.020

9％Cr 钢 SA-213

T91

（比较）

0.08

0.30

Max

Max

0.20

8.0

0.85

--

0.18

0.06

--

0.03

--

Max

Max

0.12 0.07

0.60 0.30

0.020 0.010 Max Max

0.50 Max

9.5 8.5

1.05 0.30 1.50

0.25 0.15

0.10 0.04 --

0.07 0.03 0.001

0.40 Max

0.040 Max

SA-213 CC-2179-3

T92

0.13 A213-01 CC-2327 0.13 T911 0.09

0.60 0.30

0.020 0.010 Max Max

0.50 0.10

9.5 8.5

0.60 0.90

2.00 0.90

0.25 0.18

0.09 0.06 --

0.07 0.04

0.006 0.0003

0.40 Max

0.040 Max

0.60

0.020 0.010

0.50

9.5

1.10

1.10

0.25

0.10

0.09

0.006

0.40

0.040

12％Cr 钢 SA-213 CC-2180-2 0.14 0.70 0.020 0.010 0.50 12.5 0.60 2.50 0.30 0.10 1.70 0.100 0.005 0.50 0.040 T122 0.07 Max Max Max Max 10.0 0.25 1.50 0.15 0.04 0.30 0.040 Max Max Max

3.1T23 钢的化学成分设计

如表 3 所示， T23 钢在成分设计上，在原 2-1/4Cr-1Mo，即 T22 钢的基础上采用多元复合强化原理对钢铁进行改良：

住友将 T23 钢的碳定为 0.006％，即采用低碳设计以提高其可焊性，同时开发出焊前无需预热、焊后可以不焊后热处理的焊接填充金属，使得焊接接头的最大 硬度不超过 350Hv；

通过加入 1.6％的钨（W ）合金元素获取固溶强化效果，同时，通过添加 0.25% V、0.05% Nb 和 B 来获取沉淀析出强化效果而提高钢的蠕变强度；

通过添加 B 元素的另一个目的是提高钢的淬透性从而获得完全回火贝氏－马氏体组织，来保证材料的韧性。

3.2T24 钢的化学成分设计

T24 钢的化学成分设计与 T23 钢有所不同：该钢的 Cr, Mo 含量与 T22 相当，不加 W 、而加入 V,Ti 和 B；也就是它依靠添加 V 和 Ti 和 B 元素来提高钢的蠕变 强度。T24 钢在 550℃到 620℃蠕变温度范围内的许用应力也是 T22 钢的 2 倍还要多些，当金属温度 t m≤566 ℃时，比日本住友研制的 T23 钢还要高；

T24 钢同样焊接时可以不用预热、焊后可以不用焊后热处理。只是 T24 钢当温度超过 566℃时的许用应力比 T23 钢下降得快；所以该钢种更适合于用作超临界 锅炉的水冷壁。

3.3T92 和 T911 钢的化学成分设计

9％Cr 和下述 12％Cr 新钢种的化学成分设计中都含钨（W ），并且，通过对含钼量和含钨量的优化选择及添加少量的硼（B）元素而对提高高温蠕变断裂强度 即强化起着决定性作用。

T92 钢在开发中，已将目前已知的强化手段全部用上了，它们是：W-Mo 复合固溶强化，以 W 为主；V-Nb 和 N 的碳化物析

出强化；以及 B 晶界强化。如资料 [8]指出的那样：T92 和 T911 钢只是在含钼量和含钨量上不同，但是，这两种钢的钼当量，即（Mo+1/2W ）的含量相同。

3.4T122 钢的化学成分设计

关于 T122 钢，根据住友金属提供的有关开发及化学成分设计的介绍，T122 钢的开发同样把目前已知的强化手段全部都用上了，此外还对于钢的可焊性和韧性 作了充分的考虑。

根据住友金属的介绍，T122 钢在化学成分的设计上，还有一个特点是：它含有约 1％的铜（Cu）。加入铜元素的主要目的在于：在金属的显微组织中使得 δ 铁素体的含量不超过 5％，同时使得按 Cr eq =Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+8Ti+12Al-40C-30N-4Ni-2Mn-Cu-2Co 公式计算得出的铬当量小于等于 9％，从而 保证该钢种具有良好的冲击韧性。

4．五种新型铁素体耐热钢的热处理和显微组织

4.1T23 钢的热处理及显微组织

根据规范案例 CC-2199-1 的规定，T23 钢应在 1900° F（1040℃）温度下做奥氏体化处理，然后进行空气冷却或加速冷却，在最低 1350° F（730℃）温度下做 回火处理。川崎制铁推荐的热处理制度为：1040℃± 10℃正火热处理，在 760℃± 10℃下回火，保温时间 60 分钟。

通过上述热处理之后，材料即可获得完全回火贝氏－马氏体组织。在显微组织中，通过添加 0.25%V（钒）、0.05%Nb（铌）和 B 进行沉淀析出强化，其主要 的沉淀析出为 V(C,N)，M23C6 和 M7C3。

此外，根据资料[5]的介绍，T23 钢的下转变点，即 AC1 温度为 800℃，其上转变点的温度，即 AC3 温度为 960～990℃。

4.2T24 钢的热处理及显微组织

目前 ASME 还没有发布关于 T24 钢的规范案例。以下根据已经获得 ASTM 和德国 TUV 批准的资料作介绍：

T24 钢的下转变点， 即 AC1 温度为 820℃， 其上转变点的温度， 即 AC3 温度为 960～990℃。 根据规范案例 ASTM A-213 标准的规定， T24 应在 1830° F （980℃） 温度下做正火热处理，然后进行空气冷却或加速冷却，在最低 1345° F（730℃）温度下做回火处理。

欧洲 V&M 公司推荐的 T24 钢管子热处理制度为：1000℃± 10℃正火热处理，在 750℃± 10℃下回火，保温时间 30 分钟。

通过上述热处理之后，材料即可获得完全回火贝氏－马氏体组织。

T92 和 T911 钢的热处理及显微组织

ASME 规范规定 T92 和 T911 钢应在最低 1040℃温度下正火或淬火处理， 在最低 730℃温度下回火处理。 该钢种热处理状态的显微组织是细小的回火马氏体 （合 金铁素体基体加上细小弥散分布的碳化物质点）。

4.4T122 钢的热处理及显微组织

ASME 规范规定 T122 钢应在最低 1040℃温度下正火处理，在最低 730℃温度下回火处理。该钢种热处理状态的显微组织是 δ 铁素体和回火马氏体

组成的双相 结构。

5．五种新型铁素体耐热钢的力学性能

根据 ASME 规范案例，新钢种的力学性能如表 4 所示。它们和列在 ASME SA-213/SA-213M 或 ASTM A-213/A-213M 标准中的规定值一致。如表所示，T92 与 T911 的力学性能相同。 篇幅关系，这里不再一一列出这些新钢种的其他制品，即钢管、锻件和钢板的力学性能数据。具体应用时，应按钢材型式相应查对 ASME 规范的 SA-335（轧 制钢管）或 SA-369（锻造钢管）、SA-182 或 SA-336，以及 SA-387 等材料标准的最新版。

表 4 五种新型铁素体耐热钢的力学性能

ASME 规范案例 CC2199-1

名义成分 2.25Cr-1.6WVNb （T23）

抗拉强度，MPa ≥510 （74 ksi） ≥585 （85 ksi） ≥620 （90 ksi） ≥620 （90 ksi）

屈服强度，MPa ≥400 （58 ksi） ≥415 （60 ksi） ≥440 （64 ksi） ≥440 （64 ksi）

伸长率，MPa ≥20

平均硬度，HB ≤220 （230 HV）

ASTM A213-01 CC 2179-3

（7CrMoVTiB10-10） （T24） 9Cr-2W （T92）

≥20

≤250 （265 HV）

≥20

≤250 （265 HV）

CC 2327

9Cr-1Mo-1W-Cb （X11CrMoWVNb9-1-1） （T911）

≥20

≤250 （265 HV）

CC 2180-2

12Cr-2W （T122）

≥655 （90 ksi）

≥296 （58 ksi）

≥20

≤250 （265 HV）

6．五种新型铁素体耐热钢的许用应力

6.1T23 和 T24 钢的许用应力

表 5 所示为新型铁素体耐热钢 T23 和 T24 钢，与 T22 和 T91 钢的许用应力比较。随制品型式不同，CC 2199 对 P23（pipe）、F23（forge）和 Gr.23（plate）

给出的许用应力与对管子制品的许用应力不同。

表 5 新型铁素体耐热钢 T23 和 T24 钢，与 T22 和 T91 钢的许用应力比较，ksi ( 1 Ksi= 6.894757 MPa )

482℃/ 900 ℉ T22, E2001（比较） T23,CC 2199-1 P23,F23，Gr.23CC 2199-1 T24,ASTM A213-01 T91, E2001（比较） 13.6 18.9 18.9 17.5 19.1

510℃/ 950℉ 10.8 17.8 16.2 16.7 17.8

538℃/ 1000 ℉ 8.0 14.3 13.3 16.1 16.3

566℃/ 1050 ℉ 5.7 11.2 10.7 11.2 14.0

593℃/ 1100℉ 3.8 8.4 8.3 6.7 10.3

621℃/ 1150 ℉ 2.4 5.5 5.0 5.6 7.0

6.2 第三代 T911、T92 和 T122 钢的许用应力

表 6 所示为第三代 T911、T92 和 T122 新型铁素体耐热钢与 T91 钢的许用应力比较，以及它们与 TP304H 及 TP347H 奥氏体耐热钢的许用应力比较。

从表中列出的许用应力值，可以看到 T911 和 T91 钢虽然在 566-620℃温度范围内相差不大；但是，当设计金属温度为 593℃时使用 P911 比 P91 钢要高 10％ 左右，所以，在该温度及以下，用 P911 钢设计的集箱和主蒸汽管道的壁厚可以减小。

表 6 中的 T92（NF616）钢和 T122 钢虽然是铁素体钢，在各种温度下其许用应力不仅高于 T91 和 TP304H 钢，而且在 566-649℃温度范围内与 TP347H 钢奥 氏体钢的许用应力相当或更高，显然，这两种钢是目前已经获得 ASME 批准使用的铁素体钢中强度最高的钢种。

在 566℃-620℃及稍高

温度范围内，T92 钢和 T122 钢不仅可以替代使用 TP304H 和 TP347H 奥氏体不锈钢，还可以做到节约金属。

表 6 第三代新型铁素体耐热钢与 T91 和与 TP304H 及 TP347H 奥氏体钢的许用应力比较， Ksi。 ( 1 Ksi= 6.894757 MPa )

510℃/ 950 ° F T91, E2001（比较） T911,CC 2327 T92,CC 2179-3 (Tube, Pipe) F92,CC 2179-3(forgings) T122,CC 2180-2 TP304H，E2001（比较） TP347H，E2001（比较） 17.8 19.0 19.2 19.2 19.5 14.3 16.6

538℃/1000 ° F 16.3 17.7 18.3 18.3 18.5 14.0 16.4

566℃/1050 ° F 14.0 14.9 17.2 16.6 16.8 12.4 16.2

593℃/ 1100 ° F 10.3 11.4 13.6 13.0 12.9 9.8 14.1

621℃/ 1150 ° F 7.0 6.7 10.2 9.6 9.3 7.7 10.5

649℃/1200 ° F 4.3 --6.9 --6.2 6.1 7.9

7．五种新型铁素体耐热钢的焊接与制造工艺

如前所述，第三代新型铁素体耐热钢在研制开发过程中，对新钢种的焊接以及制造工艺性都给予了充分地重视。无论是在配套的焊接材料及焊接规范上，以及 对于不同材料及厚度的组合焊接，都已经发表了很多的研究报告。篇幅关系，这里不再详细介绍，在选择焊接材料和焊接规范参数等具体应用时，建议参考资 料[9]～[13]。

在开发新型铁素体耐热钢时，开发商对于改良它们的焊接工艺性都给予了充分的重视，这五种钢中，如上所述，t23 和 t24 钢都可以焊前无需预热，焊后无需焊 后热处理；后三种钢则需要预热以及焊后热处理。下列表 7 为 asme 规范案例中规定的可焊性指标，对于后三种钢的焊后热处理，均应满足第 I 卷中表 PW-39

中的 P-No.5B 第 2 组的规定。

表 7 五种新型铁素体耐热钢的可焊性指标

ASME 规范案例 CC2199-1

名义成分 2.25Cr-1.6WVNb （T23）

表 pw-39 可焊性 p-no. p-no.5a

备注 单独做焊接工艺规程和性能评定

ASTM A213-01

（7CrMoVTiB10-10） （T24）

---

---

CC 2179-3

9Cr-2W （T92）

p-no.5b 第2组 p-no.5b 第2组

同上

CC 2327

9Cr-1Mo-1W-Cb （X11CrMoWVNb9-1-1） （T911）

同上

CC 2180-2

12Cr-2W （T122）

p-no.5b 第2组

同上

7.1T23 钢的焊接及弯管工艺性能

住友在开发 T23 钢时，由于将含 C 量比 T22 钢的含 C 量明显降低，控制为 ∽0.06%；同时还研制完成了与钨极气体保护焊(GTAW)和手工电弧焊(SMAW)条件 下与母材相匹配的填充金属，使得最大硬度不超过 350Hv；因此，T23 钢焊接时可以不用预热、焊后可以不用焊后热处理，而做到接头中焊缝金属的硬度不会 超过 350Hv。

表 8 列出的为住友金属提供焊接 T23 钢时，GTAW 和 SMAW 用填充金属的化学成分。如表所示，其成分与母材的最大不同是含镍。

根据 ASME 规范案例 CC 2199-1 的规定，T23 钢的可焊性分类为 P-No.5A，还规定对该材料应单独做焊接工艺评定和焊工技能评定。

根据日本住友对 T23 钢进行的弯管工艺试验，试验结果证明：

R/D

=2.5 倍的冷弯， R/D=1.5 倍的热弯和在高温下对 R/D=1.5 倍的弯管进行模压制造小 R 弯管，弯管表面无缺陷、椭圆度合格。只有当冷弯变形率大于 15 % 时，由于弯管部位的蠕变断裂强度低于母材，所以需要进行弯后消除应力热处理。

表 8T23 钢 GTAW 和 SMAW 焊接用填充金属的化学成分

类型 GTAW TIG 焊丝 SMAW

牌号 住友＃T-HCM2S 神户 TGS-2CW 住友＃HCM2S

C 0.04 0.04 0.06

Si 0.50 0.41 0.32

Mn 0.49 0.45 0.79

Cr 2.19 2.32 2.24

Ni 0.49 --1.00

Mo 0.10 --0.10

W 1.59 1.85＋Mo 1.56

V 0.24 0.33 0.30

Nb 0.03 0.031 0.04

7.2T92 钢的焊接 表 9 列出的为住友金属提供焊接 T92 钢时，GTAW 和 SMAW 用填充金属的化学成分。

表 9T92 钢 SMAW 和 SAW 焊接用填充金属的化学成分

类型 SMAW GTAW

C 0.08 0.08

Si 0.49 0.32

Mn 1.46 1.49

p 0.002 0.008

S 0.001 0.001

Cr 8.88 8.91

Mo 0.52 0.49

W 1.68 1.60

V 0.24 0.29

Nb 0.080 0.047

B -0.003

N 0.040 0.042

7.3T122 钢的焊接

表 10 列出的为住友金属提供焊接 T122 钢时，GTAW 和 SMAW 用填充金属的化学成分。

表 10T122 钢 SMAW 和 SAW 焊接用填充金属的化学成分

类型 SMAW GTAW

牌号 住友＃HCM12a 住友＃T-HCM12a

C 0.09 0.09

Si 0.22 0.32

Mn 0.79 0.49

p 0.006 0.010

S 0.002 0.002

Cu 1.49 1.44

Ni 0.93 1.13

Cr 10.13 10.16

Mo 0.19 0.29

W 1.41 1.65

V 0.19 0.21

Nb 0.03 0.05

N 0.054 0.05



第三代新型铁素体耐热钢的耐腐蚀性

从超临界机组的用钢角度来说， t23 和 t24 钢由于其设计成分中的含铬和含钼等的含量较低， 必然限制了它们在过高的温度下的使用， 也就是更着眼于后三种钢， 即 9％～12％cr 钢的抗蒸汽的腐蚀以及抗烟气腐蚀性能。

根据在 600℃温度下，经 500h 的测定结果：当 T91 管子的内壁的氧化垢层为 63μm 时，T122 钢的管子上只有 46μm 厚。经 2 万小时运行后的 T122 钢过热器 管子的内壁氧化垢层厚度为约 90μm 厚； 在 T122 钢再热器管子上的垢层厚度约为 68μm， 相同条件下的 TP347H 钢管子上的垢层厚度虽然只有约 40μm， 但是， 在运行到达 2 万小时时奥氏体管子内壁的氧化垢层已经剥离。

根据 2000 年在美国 Florida 召开的“2000 International Joint Power Generation Conference”的会议录翻译的资料[2]--《超超临界锅炉用材》一文指出：9％Cr 钢在 593℃蒸汽温度的高温蠕变断裂强度已经足够，但是，其抗氧化能力则值得怀疑。同时指出：T92 钢、T911 钢和 T122 钢在它们被用于高温部件以前，必 须对其抗烟气腐蚀性能进行充分地评估；以及对于具有腐蚀性的煤，应给出额外的安全系数。

根据在 600℃和 650℃温度下，经 20h 合成烟气及灰介质中作的抗烟灰腐蚀性能的测定结果。当 650℃下 t91/p91 钢的金属损耗约为 26 mg/cm2 时，t122 钢管 子的金属损耗仅为约 17 mg/cm2。遗

憾的是，尽管钢厂都作了一定的测定及对比，但是测定数据还是不够。

8. 小结

通过前面对五种新型铁素体耐热钢的介绍与分析，可归纳为：

 

t23 和 t24 钢是对 2.25cr-1mo，即 t22/p22 钢的重大突破，不仅高温强度高在一定的温度范围可以替代 t91/p91 钢而加以应用；而且，焊前无需 预热，焊后无需焊后热处理可以节约制造成本。 T92、T911 和 T122 钢均为钨强化铁素体耐热钢，它们是“先进电厂”也就是超超临界机组用材国际合作开发项目的重要成果。在金属温度 650℃及 以下温度，这三种钢的许用应力均高于 TP304H 奥氏体钢，而 T92 和 T122 钢的许用应力接近或高于 TP347H 奥氏体钢，因此，比起 T91 钢更适 合于在超临界或超超临界机组的过热器和再热器的设计上替代奥氏体钢。

   

T122 钢由于含铬量高，其耐腐蚀性能明显高于 9％Cr 的铁素体钢。用 T122 钢制造的管子，更适合于设计超超临界锅炉的过热器和再热器。 这三种钢的钢管制品，即 P92、P911 和 P122 钢已在日本和欧洲用于制造集箱和主蒸汽管道，用它们替代 P91 钢可进一步地减小壁厚，其耐腐 蚀性可以与欧洲曾经使用过的 X20CrMoV121(0.2C-12Cr-1MoV)钢相当或更好，工艺性能优良，而更适合于超超临界参数锅炉上的应用。 包括管子、钢管、锻件、锻造钢管和钢板在内，这三种钢的制品型式齐整，且均已获得 ASME 的批准认可，更便于设计受压元件。 这三种钨强化钢的工艺性良好，对于焊接材料以及焊接接头的性能已经作了一系列的研究，因此在制造工艺上同样成熟。

参考资料

[1]韩肇俊，《关于超临界机组锅炉用钢的选材意见及对新型耐热钢的介绍》，北京巴威公司锅炉通讯，2004.3。 [2]西安热工院（TRPI），《超临界机组用钢》（译文）。 [3]ASME 规范 2001 年版及 A02 和 A03 增补。 [4]ASTM Standard Specification A213/A213M-01。 [5]日本住友公司 2000 年 5 月提供的 T23,T122 等资料。 [6]VALLOREC & MANNESMAN TUBES, 《The T23/ T24 Book -- New Grades for Waterwalls and Superheaters 》，1998 年。 [7]川崎制铁，川崎制铁特殊钢管，2002 年 10 月。 [8]电厂用抗蠕变铁素体钢，2003，铌科学与技术 [9]Y. Sawaragi, etc. 《Properties and experiences for all product forms of grade 122 (HCM12A) steel for fossil power generation 》 ， Sumitomo Metal 。 [10]EUROWELD，Ltd, 《P91 and beyond》。 [11]F. Masuyama, etc., 《Fabrication and characterization of P92 and P122 full size components 》。 [12]Sumitomo Metal Ltd., Sumikin Welding Ltd., 《Welding Materials for HCM12A Steels》。 [13]Sumitomo Metal Ltd., 《Fabrication of HCM12A tubes (T122) and Pipe (P122)》。 [14] 韩肇俊，《2001 版 ASME 动力锅炉规范案例中的新材料及其案例应用说明》，ASME

在中国。