我國發(fā)電設(shè)備用材料的最新研究進展

1、我國發(fā)電設(shè)備用材料的最新研究進展關(guān)鍵詞：我國;發(fā)電設(shè)備;材料動力工程技術(shù)的發(fā)展在很大程度上取決于先進耐熱材料的進展。從上世紀(jì)八十年代起，在日本、歐洲、美國開始了一系列的先進蒸汽循環(huán)和超臨界蒸汽壓力發(fā)電技術(shù)研究，這些研究項目中耐熱材料的開發(fā)和應(yīng)用是最重要部分。采用新的耐熱鋼，能確保發(fā)電機組的蒸汽參數(shù)提高到更高參數(shù)。因此，世界各國電力機構(gòu)開展了研究和開發(fā)適用于高蒸汽參數(shù)下使用的耐熱鋼的工作。如EPRI，ELSAM、National Power、EPDC和歐洲的COST組織等。通過材料認(rèn)證工作一方面建立超臨界、超超臨界發(fā)電機組的耐熱鋼體系，另一方面完善現(xiàn)有的耐熱鋼體系并研制開發(fā)更先進的耐熱鋼以彌補現(xiàn)

2、有耐熱鋼的不足。材料認(rèn)證工作的重點主要在于電站設(shè)備用耐熱鋼，包括電站鍋爐和汽輪機用鋼。電站鍋爐主要集中于鍋爐的熱交換管，如高溫過、再熱器和非熱交換管，以及高溫過、再熱器的出口集箱、管道及其附件等。汽輪機主要集中在轉(zhuǎn)子、葉片和螺栓用鋼。1.發(fā)電設(shè)備用耐熱材料選型的性能要求 高蒸汽參數(shù)的高效率的發(fā)電機組對耐熱材料提出了更高的性能要求，蒸汽溫度的提高不僅對耐熱材料的基本性能，如持久強度、持久塑性、斷裂韌度提出了更高的要求；而且對使用性能，如抗高溫?zé)煔舛嘞嘟橘|(zhì)的熱腐蝕性，抗高溫蒸汽氧化和氧化物脫落的性能，在調(diào)峰和變負(fù)荷條件下抗熱疲勞和機械載荷疲勞的性能都有更高的要求。不僅如此，蒸汽參數(shù)的提高還會增加高

3、溫受壓部件的壁厚，給厚壁受壓部件的生產(chǎn)、制造、焊接、熱處理、探傷等提出了新的要求，同時這些厚壁受壓部件還會降低機組的啟停速率和調(diào)峰能力。要實現(xiàn)超高蒸汽參數(shù)機組的可靠運行，就必須使用與高蒸汽參數(shù)相適應(yīng)的高性能的耐熱材料。因此，耐熱材料及其制造工藝技術(shù)成為發(fā)展先進機組的技術(shù)核心，耐熱材料的發(fā)展水平直接決定了同時期火力發(fā)電的技術(shù)水平。2.電站鍋爐材料的最新研究進展 大型發(fā)電機組的電站鍋爐熱交換受熱面（四管過熱器、再熱器、省煤器、水冷壁）和非熱交換管（主蒸汽管道，聯(lián)箱，管道彎頭等）都是工作在復(fù)雜服役環(huán)境的狀態(tài)之下，其中，四管特別是水冷壁還處于氣液固多相介質(zhì)復(fù)雜服役環(huán)境之中。按照慣例，實現(xiàn)620主蒸汽溫

4、度之后，應(yīng)該繼續(xù)實現(xiàn)650主蒸汽溫度；當(dāng)鍋爐的蒸汽參數(shù)達到35MPa/700時, 預(yù)計發(fā)電效率將達到51, 這就要求過熱器和再熱器管材料在700750時具有較高的持久強度(100MPa/105h)和耐高溫腐蝕性能(105h 金屬截面厚度損失小于1mm)。同時還要有足夠高的蠕變強度和持久塑性，在高溫下長期運行中組織穩(wěn)定性好，良好的工藝性能，抗高溫?zé)煔庋趸g和抗高溫汽水介質(zhì)腐蝕性能好等。要完成620和超700超超臨界發(fā)電技術(shù)的進步，必須研究與三種電站鍋爐受壓部件相關(guān)的材料問題，這三種部件是：水冷壁、過熱器/再熱器和集箱、管道，特別是超700，這三種部件材料具有本質(zhì)性的變化：水冷壁材料：從600時

5、使用的12Cr1MoV和T12，T22等低合金鋼，過渡到620時使用的T23和T24低合金鋼，發(fā)展到超700時使用的(9Cr12Cr)材料中合金鐵素體型耐熱鋼；過熱器/再熱器材料：從常規(guī)600時使用的Super304H鋼和TP347HFG鋼以及HR3C發(fā)展到620使用的新型的奧氏體耐熱鋼SAVE25、NF709、Tempaloy AA-1、Tempaloy A-3、XA704，發(fā)展到超700使用的具有更高蠕變斷裂強度和抗腐蝕、抗氧化性能的鎳基高溫合金Inconel 740、Inconel 617、Inconel 671、Alloy 263、HR6W等材料。集箱和管道材料：從常規(guī)600時使用的P

6、91、P92、P122，過渡到620時使用的P92鋼，最終過渡到超700使用的Alloy263、Inconel 625 和Inconel 617等候選材料。表1列示出了美國A-USC機組電站鍋爐不同參數(shù)下候選材料的選擇情況。表1美國A-USC機組電站鍋爐不同參數(shù)下候選材料鍋爐部件名稱主蒸汽溫度600主蒸汽溫度620主蒸汽溫度700水冷壁12Cr1MoV、T12T22T12、T23、T24T24、T91、HCM12過熱器/再熱器Super304H、TP347HFG、HR3CSuper304H、TP347HFG、HR3C、Temploy AA-1、 Tempaloy A-3、XA704、NF709

7、、SAVE25Super304H、HR3C、Temploy AA-1、NF709、SAVE25、Inconel 174、Inconel 617、Inconel 740、集箱和管道P91、P92、P122P92Alloy263Inconel 625、如果要在目前的超臨界和超超臨界機組的基礎(chǔ)上進一步提高蒸汽參數(shù)，超越650直接到達700及以上，高溫過熱器、再熱器（SH/RH）管子要求具有高的蠕變強度，熱疲勞強度，高的可焊性，抗煙氣側(cè)高溫腐蝕和沖蝕，抗蒸汽側(cè)高溫氧化和氧化皮剝落的能力。高溫過熱器、再熱器管子在高壓下承受很高的應(yīng)力，且管壁的金屬溫度（管壁中間截面的溫度）比相應(yīng)蒸汽溫度高30以上，當(dāng)蒸汽

8、溫度達到700時，管子煙氣側(cè)壁溫可能達到750及以上。高溫過熱器出口集箱和蒸汽管道沒有煙氣的直接加熱，集箱壁面的溫度可認(rèn)為和蒸汽溫度相等，但這些集箱的壁厚較厚，而且集箱要開成排的管孔來焊接管接頭以連接高溫過熱器管，不僅如此，鍋爐本身存在的熱偏差還使集箱承受熱疲勞的作用。主蒸汽管道閥門也承受和高溫過熱器集箱相同的溫度和壓力，而且閥門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力復(fù)雜，壁厚較厚，各種綜合應(yīng)力使其工作條件極其惡化。關(guān)于水冷壁管，應(yīng)該引起注意的有兩點：爐膛熱負(fù)荷將提高水冷壁管的金屬壁溫，另外一個問題是如何防止水冷壁管產(chǎn)生過度的高溫腐蝕。因此除了在使用奧氏體鋼的同時從強度和耐蝕性的要求考慮需采用鎳基合金，如R25、NI

9、MONIC80A和INCONEL X-750等，甚至于開發(fā)新的高溫合金。鎳基高溫合金基體為面心立方的奧氏體，高溫強度高，同時由于鎳的化學(xué)穩(wěn)定性較高，其抗氧化能力比鐵和鈷好。由于超超臨界使用的700新型耐熱材料目前還在實驗研究階段，材料性能數(shù)據(jù)不足，這些新型耐熱材料在國外和國內(nèi)運行的發(fā)電機組上陸續(xù)出現(xiàn)了的裂紋開裂、爆破或泄漏等事故。對于這些新型的耐熱材料，還缺乏系統(tǒng)而深入的性能評價研究。根據(jù)國外研發(fā)的經(jīng)驗，超700超超臨界鍋爐高溫部件特性研究我國技術(shù)人員正圍繞以下幾個方面開展：適合于超700超超臨界鍋爐高溫部件選材研究；超700超超臨界鍋爐水冷壁、過熱器、再熱器蠕變和氧化特性研究；超700超超臨

10、界鍋爐高溫部件焊接技術(shù)研究。3. 汽輪機材料的最新研究進展汽輪機是將工質(zhì)為水蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械。它具有單機功率大、效率高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、單位功率制造成本低、使用壽命長等優(yōu)點。汽輪機是發(fā)電用的原動機。在現(xiàn)代化石燃料電站、核電站及聯(lián)合循環(huán)電站中，都采用以汽輪機為原動機的汽輪發(fā)電機組。在超臨界與超超臨界汽輪機的研制進程中，已解決的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：耐熱強度高的高溫材料的研究、1米級長葉片的研制、先進的葉片設(shè)計技術(shù)、先進的葉頂密封和葉根徑向汽封片的采用、積木式的結(jié)構(gòu)設(shè)計、緊湊結(jié)構(gòu)及雙層缸設(shè)計、高溫部件的強度與壽命及冷卻技術(shù)、抗固體顆粒侵蝕和抗蝕技術(shù)、考慮氣流激振的軸系穩(wěn)定性研究等。目前

11、，我國的汽輪機產(chǎn)品從蒸汽參數(shù)、容量、汽輪機熱耗水平而言，雖然蒸汽參數(shù)不是最高的，但參數(shù)和容量已與國外的機組在同一級別，機組的熱耗也處于較好的水平。但面對節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的發(fā)展要求，與其它先進發(fā)電技術(shù)相比，超超臨界的燃煤電廠的熱效率還需要進一步提高。與蒸汽參數(shù)為16.7MPa/538/538的亞臨界火電機組相比，采用538/566蒸汽參數(shù)超臨界機組可以使CO2的排放量減少10%；采用600/620的超超臨界機組可以減少CO2的排放量15%；采用700/720先進的超超臨界機組可以使CO2的排放量減少30%。3.1轉(zhuǎn)子材料研究我國亞臨界汽輪機高溫轉(zhuǎn)子用鋼為30Cr1Mo1V。超超臨界機組低壓轉(zhuǎn)子

12、的前端溫度可在400以上，必須使用超純鋼，冶煉時必須精選爐料，進行鋼包精煉加真空澆注等冶煉技術(shù)。我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)大型WCr 12型轉(zhuǎn)子鋼鍛坯，以及無中心孔轉(zhuǎn)子。焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)取得很大成績。我國汽輪機轉(zhuǎn)子材料進展列于表2。表2 汽輪機轉(zhuǎn)子用材的進展構(gòu)件亞臨界汽輪機轉(zhuǎn)子用材料超臨界、超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子用材料鋼號使用溫度鋼號使用溫度高溫轉(zhuǎn)子30Cr1Mo1V540/5701Cr10Mo1W1NiVNbN60062020Cr3WMoV550X12CrMoWVNbN10116006202Cr12MoV57010CrMoVNbN600St12TS570TMK1600低壓轉(zhuǎn)子30Cr2Ni4MoV350超純3

13、0Cr2Ni4MoV45026NiCrMoV145350超純26NiCrMoV145450St565TS3.2 葉片材料研究高溫葉片應(yīng)具有足夠的持久強度極限，良好的振動衰減性等性能。以前絕大部分汽輪機葉片材料都采用添加鉬、釩的WCr1213型，具有良好的抗過熱蒸氣或濕蒸氣侵蝕能力。為提高性能，加入了Nb、N、W和Co。葉片相對轉(zhuǎn)子截面較小，制造工藝難度小一點，為進一步提高熱強性，可適量增加一些Nb、N含量，并將含W量提高至接近2%,同時將含Mo量降至0.5%。如鋼中出現(xiàn)過量的鐵素體會使鋼的強度和塑性明顯降低，為此常加入奧氏體形成元素Ni，例如低壓長葉片用鋼X10CrNi1MoV和1Cr12Ni

14、3Mo2VNb，在提高強度的同時，保持良好的塑性和韌性。但對高溫葉片用鋼，含Ni量一般小于1，以免降低蠕變極限。值得注意的是多元復(fù)合強化后的WCr12鋼，強化元素越多，振動衰減性越低，設(shè)計時多加考慮。3.3大型鑄鍛件的生產(chǎn)Ni基材料是一種成熟的材料，但目前應(yīng)用的鎳基材料鑄鍛件尺寸太小，通常低于10公斤，不能滿足大型汽輪機轉(zhuǎn)子、汽缸、閥殼等鑄鍛件毛坯的要求。因此，研究的重點應(yīng)集中在鎳基材料大型化鑄鍛件毛坯的制造工藝及性能驗證，必須研究新的材料特性以滿足在高溫下具有足夠的強度及700至800時的抗氧化和抗磨蝕。在汽輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮采用新設(shè)計方法，促進鎳基合金采用量最少。表3列出了我國汽輪機發(fā)

15、展目標(biāo)可選用的材料類型。表3 我國汽輪機材料發(fā)展目標(biāo)可選用的材料類型年份等級主要零部件高、中壓轉(zhuǎn)子高、中壓鑄件高溫葉片和螺栓20102020700Inconel718NiCr20TiAlCCA617Incone1625Inconel718 NiCr15Fe7TiAlNimonic90/105為適應(yīng)節(jié)能減排的形勢發(fā)展要求，我國應(yīng)重點研究和開發(fā)超超臨界參數(shù)汽輪機機組的用材方向：（1） Ni基合金材料的應(yīng)用，使材料適用于火力發(fā)電廠部件的大型化、長壽命的要求，集中開展鑄、鍛件大型化的制造工藝及高溫蠕變性能的試驗驗證。（2）開展Ni基材料的焊接轉(zhuǎn)子的研究，Ni基合金的鍛坯制造能力遠不能滿足汽輪機高、中壓轉(zhuǎn)子的重量要求，先進的超超臨界汽輪機的高、中壓轉(zhuǎn)子必須采用焊接結(jié)構(gòu)。Ni材料、或與鐵素體鋼之間的焊接轉(zhuǎn)子的設(shè)計制造是要解決的重大項目。（3）二次中間再熱及更多回?zé)峒訜崞鞯牟捎?。隨著壓力、溫度的提高，一次再熱變成二次再熱可提高效率，又是切實可行的技術(shù)。同時，應(yīng)相應(yīng)增加回?zé)峒訜崞鲾?shù)以提高熱效率。（4）汽輪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及部件冷卻技