7超超臨界火電廠材料研究綜述及選材分析50

1、超超臨界火電廠材料研究綜述及選材分析周榮燦 范長(zhǎng)信（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032）摘 要：超超臨界火力發(fā)電是現(xiàn)階段技術(shù)上最成熟、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最好的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行的火電技術(shù)，在最近數(shù)十年將有廣闊的應(yīng)用前景。由于蒸汽溫度和壓力的提高對(duì)關(guān)鍵部件的抗蠕變、疲勞、高溫氧化與腐蝕等性能都提出了更苛刻的要求，耐熱材料的開發(fā)及其應(yīng)用是發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的最重要的基礎(chǔ)。本文對(duì)國際上各階段的研究計(jì)劃及其中的材料研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。并對(duì)超超臨界發(fā)電機(jī)組中各關(guān)鍵部件采用的耐熱材料的發(fā)展進(jìn)行了回顧。國內(nèi)近已有數(shù)臺(tái)超超臨界機(jī)組開始投入建設(shè)，超超臨界火電技術(shù)在我國有著非常廣闊的發(fā)展前景。但國內(nèi)目前

2、機(jī)組的建設(shè)只能立足于材料的國際采購，對(duì)于新型耐熱材料還需要進(jìn)行大量的加工工藝研究和服役特性研究，以保障機(jī)組順利建設(shè)和安全可靠運(yùn)行。本文同時(shí)對(duì)現(xiàn)階段超超臨界火力發(fā)電機(jī)組所采用的幾種典型新型耐熱鋼的性能進(jìn)行了歸納和介紹，并根據(jù)機(jī)組的不同參數(shù)對(duì)鍋爐部件材料的選擇進(jìn)行了分析和討論。關(guān)鍵詞：超超臨界火電廠；耐熱鋼；性能；選材1 前言火力發(fā)電行業(yè)目前面臨兩方面的壓力，首先市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇需要降低發(fā)電成本，另一方面人們對(duì)全球環(huán)境問題日益關(guān)注，要求電廠降低SOX、NOx、CO2的排放，滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求。發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術(shù)是解決這些問題的關(guān)鍵，就目前以及將來一段時(shí)間內(nèi)，在眾多的潔凈煤發(fā)電技術(shù)中超超臨界發(fā)電技術(shù)的

3、繼承性和可行性最高，同時(shí)具有較高的效率和最低的建設(shè)成本。除了上世紀(jì)50、60年代投運(yùn)的幾臺(tái)超超臨界機(jī)組外，從90年代初到目前為止全世界已經(jīng)新建超超臨界機(jī)組超過60臺(tái)，其參數(shù)還在不斷地提高。我國也正積極發(fā)展超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，已經(jīng)有幾座超超臨界電廠正在建設(shè)之中。2 材料技術(shù)在超超臨界發(fā)電中的作用超超臨界機(jī)組相對(duì)超臨界機(jī)組蒸汽溫度和壓力參數(shù)的提高對(duì)電站關(guān)鍵部件材料帶來了更高和更新的要求,尤其是材料的熱強(qiáng)性能、抗高溫腐蝕和氧化能力、冷加工和熱加工性能等，因此材料和制造技術(shù)成為發(fā)展先進(jìn)機(jī)組的技術(shù)核心。國際上已經(jīng)在運(yùn)營或在設(shè)計(jì)建設(shè)階段的超超臨界機(jī)組溫度參數(shù)大多在566620，壓力則分為25MPa、27

4、MPa和30-31MPa三個(gè)級(jí)別。高的蒸汽參數(shù)對(duì)電站用鋼提出了更苛刻的要求，對(duì)鍋爐來說具體表現(xiàn)在：高溫強(qiáng)度 對(duì)于主蒸汽管道、過熱器/再熱器管、聯(lián)箱和水冷壁材料都必須有與高蒸汽參數(shù)相適應(yīng)的高溫持久強(qiáng)度。高溫腐蝕 煙氣側(cè)的腐蝕是影響過熱器、再熱器、水冷壁壽命的一個(gè)重要因素，當(dāng)金屬溫度提高，煙氣腐蝕將大幅度上升，因此超超臨界機(jī)組中腐蝕問題更加突出。蒸汽側(cè)的氧化 運(yùn)行溫度的提高加劇了過熱器、再熱器甚至包括聯(lián)箱和管道等蒸汽通流部件的蒸汽側(cè)氧化，這將導(dǎo)致三種后果：氧化層的絕熱作用引起金屬超溫；氧化層的剝落在彎頭等處堵塞引起超溫爆管以及閥門泄漏；剝落的氧化物顆粒對(duì)汽機(jī)前級(jí)葉片的沖蝕。因此在過熱器、再熱器等材

5、料選擇中應(yīng)充分考慮到抗蒸汽氧化及氧化層剝落性能。熱疲勞性能 由于機(jī)組啟停、變負(fù)荷和煤質(zhì)波動(dòng)引起的熱應(yīng)力，對(duì)于主蒸汽管道、聯(lián)箱、閥門等厚壁部件，材料的抗熱疲勞性能是與高溫強(qiáng)度同等重要的指標(biāo)，應(yīng)在保證強(qiáng)度的前提下盡可能選擇熱導(dǎo)率高和熱膨脹系數(shù)低的鐵素體耐熱鋼。對(duì)汽機(jī)而言，其中的轉(zhuǎn)子、葉片以及其它旋轉(zhuǎn)部件承受巨大的離心力，運(yùn)行參數(shù)的提高對(duì)耐熱鋼的熱強(qiáng)性能提出了更高要求，而汽缸、閥門等由于溫度和壓力的提高也需要更好的熱強(qiáng)性能，高溫緊固件需要有更高的拉伸屈服強(qiáng)度和蠕變松弛強(qiáng)度、在蒸汽環(huán)境下的抗應(yīng)力腐蝕能力以及足夠的韌性、塑性以避免蠕變裂紋形成。機(jī)組的啟停、變負(fù)荷與煤質(zhì)的波動(dòng)要求厚壁部件如轉(zhuǎn)子、缸體、閥門

6、材料有低的熱疲勞和蠕變疲勞敏感性。對(duì)再熱蒸汽溫度高于593的低壓轉(zhuǎn)子還必須考慮材料在該溫度范圍內(nèi)的回火脆性。3 國外耐熱鋼開發(fā)計(jì)劃歷史上曾經(jīng)在50-60年代投運(yùn)了幾臺(tái)USC機(jī)組，包括美國Philo 6#（125MW，31MPa/621/565/538）、Eddystone 1#（325MW，34.5MPa，649/566/566）、英國的Drakelow 12#（375MW，24MPa/593）、聯(lián)邦德國Hüls化工廠的自備電廠1機(jī)（85MW，29.4MPa，600/560/650）等。但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因，美國和德國的機(jī)組都只能降低參數(shù)運(yùn)行，如Eddystone 1#大多數(shù)時(shí)間是在

7、32.4MPa/605的參數(shù)下運(yùn)行，制造和運(yùn)行中出現(xiàn)的多數(shù)的問題都是材料問題，受當(dāng)時(shí)的材料技術(shù)水平限制，厚壁部件采用奧氏體耐熱鋼，奧氏體鋼的低導(dǎo)熱系數(shù)和高熱膨脹系數(shù)引起高溫?zé)釕?yīng)力和疲勞開裂?？紤]到建設(shè)成本和可用率，后來新建的機(jī)組退回到了亞臨界參數(shù)。直到70年代中期能源危機(jī)的出現(xiàn)及隨后的燃料價(jià)格攀升才使人們重新考慮高參數(shù)發(fā)電技術(shù)，促成了一系列發(fā)展超臨界和超超臨界發(fā)電技術(shù)的合作研究計(jì)劃。由于已充分認(rèn)識(shí)到耐熱材料對(duì)成功實(shí)現(xiàn)高參數(shù)機(jī)組建造和可靠運(yùn)行的決定作用，這些研發(fā)項(xiàng)目都把耐熱材料的研究和應(yīng)用作為主要內(nèi)容，其研究結(jié)果構(gòu)成了目前超超臨界機(jī)組的材料技術(shù)基礎(chǔ)。目前還在進(jìn)行新一輪研究計(jì)劃為今后20-30年提

8、供發(fā)電技術(shù)，如歐盟的Thermie AD700和COST536、美國的Vision 21和日本的New Sunshine計(jì)劃等。3.1 歐洲的超超臨界機(jī)組材料研究 COST 501計(jì)劃歐洲超超臨界電站材料的研發(fā)主要在COST（Cooperation in Science Technology）計(jì)劃的支持下完成。1983-1997年期間進(jìn)行的COST 501計(jì)劃主要開發(fā)化石燃料電廠部件用先進(jìn)材料，研究范圍非常廣，幾乎包括了耐熱鋼、高溫合金、ODS合金、陶瓷等各種材料的開發(fā)和性能研究。在汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)中，COST 501計(jì)劃的目標(biāo)是建立29.4MPa/600/600和29.4MPa/600/620

9、的機(jī)組，其中包括高N和含硼鐵素體鋼的開發(fā)、聯(lián)箱及管接頭的整體粉末冶金制備等。在COST 501中由來自歐盟各國的汽輪機(jī)和鍋爐制造商、鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)、電力公司參與研究和開發(fā)，并與VGB、Brite-Euram、Marcko、ECCC等機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目緊密結(jié)合。整個(gè)項(xiàng)目分為三個(gè)階段進(jìn)行：第一階段有12個(gè)國家參與，共104個(gè)項(xiàng)目，總經(jīng)費(fèi)1500萬歐元；第二階段14個(gè)國家參與，共210個(gè)項(xiàng)目，總經(jīng)費(fèi)4800萬歐元；第三階段集中于開發(fā)高效低排放系統(tǒng)所需的材料，共16個(gè)國家參與，有超過200個(gè)項(xiàng)目。在COST 501中開發(fā)出了E911鍋爐管和高溫蒸汽管道材料以及COST E、COST F和COST B等汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子

10、材料、G-X12CrMoWVNbN9 1和G-X12CrMoWVNbN 10 1 1鑄鋼等，同時(shí)對(duì)P91、E911等材料的加工工藝和性能進(jìn)行了全面的研究。3.1.2 COST 522計(jì)劃COST 522計(jì)劃是歐洲在先進(jìn)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)新的舉措，即“21世紀(jì)的發(fā)電：高效率、低污染的發(fā)電廠”，它是在以往的COST計(jì)劃特別是COST501計(jì)劃成功的基礎(chǔ)上的繼續(xù)。該計(jì)劃1998年8月開始，到2003年結(jié)束。其中有16個(gè)歐盟國家的70個(gè)不同機(jī)構(gòu)參與，共有100多個(gè)研究項(xiàng)目。計(jì)劃開發(fā)合適的材料、涂層和表面處理以滿足：l 最高入口蒸汽溫度650的蒸汽輪機(jī)電廠；l 燃燒室溫度1450、NOx排放小于10pp

11、m的燃?xì)廨啓C(jī)的需要。在蒸汽輪機(jī)項(xiàng)目中，將應(yīng)用鐵素體鋼建造蒸汽參數(shù)為29.4MPa/620/650的超超臨界機(jī)組，效率達(dá)到50左右。同時(shí)還將改善壽命預(yù)測(cè)的方法，建立描述蠕變和低周疲勞行為的材料模型，并改善電廠模擬技術(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。分為鍋爐和汽輪機(jī)兩個(gè)子項(xiàng)目，圖1是COST 522蒸汽輪機(jī)發(fā)電項(xiàng)目組的組織圖。圖1 COST 522蒸汽輪機(jī)發(fā)電項(xiàng)目組的組織表1 AD700項(xiàng)目的時(shí)間表 Thermie AD700項(xiàng)目歐盟還啟動(dòng)了最新一輪的研發(fā)計(jì)劃Thermie AD700 PF Power Plant（兆卡計(jì)劃先進(jìn)的700燃煤電廠），即在今后20年實(shí)現(xiàn)37.5MPa/700參數(shù)運(yùn)行，效率達(dá)到55%

12、的目標(biāo)，Thermie計(jì)劃由40多個(gè)歐洲公司資助，預(yù)計(jì)于2015年完成。其中關(guān)鍵部件將采用Ni基高溫合金,材料研究工作集中于高溫長(zhǎng)期運(yùn)行部件的蠕變性能、煙氣和蒸汽腐蝕氧化、熱疲勞性能和厚壁部件的生產(chǎn)、焊接能力等。例如他們正計(jì)劃用改良Inconel 617（54Ni-22Cr-1.2Co- 9Mo-1Al-0.3Ti）制造用于高溫出口部件的鍋爐大口徑管。作為過熱器管這種材料的750/105h持久強(qiáng)度要達(dá)到100MPa，作為其它高溫區(qū)域用的大口徑管道700的強(qiáng)度達(dá)到100MPa。但是制造改良Inconel大口徑管的工藝還有待開發(fā)。Thermie計(jì)劃是圍繞兩個(gè)主題進(jìn)行組織的：更清潔的能源系統(tǒng)包括可再

13、生能源；有助于提高歐盟競(jìng)爭(zhēng)力的經(jīng)濟(jì)高效的能源系統(tǒng)。AD 700項(xiàng)目共分6個(gè)階段（表1）。 COST 536計(jì)劃即“環(huán)境友好電廠的關(guān)鍵部件合金的開發(fā)”通過前期的COST501和522項(xiàng)目開發(fā)出了一系列的9-12%Cr鋼，部分已經(jīng)應(yīng)用取得了良好的效益，目前最先進(jìn)的火電機(jī)組參數(shù)在600-620，通過對(duì)這類材料進(jìn)行改進(jìn)可使蒸汽溫度提高到640-650，獲得2-3%的效率增益，而成本卻不明顯提高。COST 536與前面兩個(gè)項(xiàng)目相比，主要從三個(gè)層次集中于一些新的技術(shù)領(lǐng)域：在納米尺度（合金開發(fā)和組織穩(wěn)定性）的計(jì)算機(jī)輔助合金設(shè)計(jì)和模擬；在介觀尺度（力學(xué)和氧化性能測(cè)試）解決同時(shí)獲得高的高溫強(qiáng)度與抗氧化性能所面臨

14、的挑戰(zhàn)，通常需要開發(fā)涂層材料；在宏觀尺度（部件制造和測(cè)試）解決實(shí)際部件與實(shí)驗(yàn)室試制材料之間的性能差異，以及常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)在新材料應(yīng)用中的局限性。在該項(xiàng)目之前已經(jīng)啟動(dòng)了Komet650、Supercoat以及AD700等項(xiàng)目。正在執(zhí)行的AD700面向的是700電廠的材料開發(fā)和設(shè)計(jì)以及示范電廠的建設(shè)，需要采用鎳基高溫合金并導(dǎo)致建設(shè)成本的大幅度增加。本項(xiàng)目將支持和補(bǔ)充AD700項(xiàng)目：能用于640-650的改良鋼種將減少價(jià)格貴的多的鎳基合金的數(shù)量從而降低成本；減少鎳基合金的數(shù)量還有助于提高機(jī)組的運(yùn)行靈活性。COST 501和522是兩個(gè)比較成功的項(xiàng)目，COST536是前兩個(gè)項(xiàng)目的繼續(xù)，前二者通過經(jīng)驗(yàn)

15、和半經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行材料研究，本項(xiàng)目通過借助計(jì)算機(jī)輔助合金成分設(shè)計(jì)程序、組織穩(wěn)定性和特定組織的蠕變性能預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)模擬、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等一系列理論性更強(qiáng)的方法進(jìn)行。本項(xiàng)目為期五年，有歐盟14個(gè)國家參與，研究經(jīng)費(fèi)約13000萬歐元。除此之外，在歐洲各國還有自己的耐熱材料研究項(xiàng)目，如德國的MARKCO和VGB158、英國潔凈煤技術(shù)項(xiàng)目等。3.2 日本的新材料研究日本的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)如住友金屬、NKK、新日鐵、神戶制鋼和鍋爐、汽機(jī)制造商如三菱、東芝等都投入了大量的力量開發(fā)用于先進(jìn)的燃煤發(fā)電機(jī)組用的新型耐熱材料，比較成功的有新日鐵的NF616（T/P92）、住友金屬的HCM2S、HCM12A、Sup

16、er304H、TP347HFG、HR3C等鍋爐部件用鋼和TMK1和TMK2等轉(zhuǎn)子用鋼。80年代初，日本啟動(dòng)了超超臨界發(fā)電技術(shù)的研究計(jì)劃，由電源開發(fā)公司（EPDC）領(lǐng)銜，鋼鐵、鍋爐、汽機(jī)制造廠和研究機(jī)構(gòu)參加。由于日本當(dāng)時(shí)已經(jīng)開發(fā)出了一系列的9-12Cr鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼，其蠕變強(qiáng)度和耐腐蝕性能都很好，因此日本對(duì)超超臨界機(jī)組的研究主要集中于這些耐熱材料在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的性能數(shù)據(jù)和可靠性。第一階段（19811993年）的研究?jī)?nèi)容包括材料基礎(chǔ)性試驗(yàn)、593和649下鍋爐、汽機(jī)的單元試驗(yàn)、高溫轉(zhuǎn)子試驗(yàn)和超高溫汽輪機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證試驗(yàn)等，其目標(biāo)是開發(fā)應(yīng)用9-12Cr鐵素體耐熱鋼的31.4MPa/593/59

17、3/593以及應(yīng)用奧氏體鋼的34.3MPa/649/649/649的兩次再熱機(jī)組；第二階段（1994-2000年）的目標(biāo)是開發(fā)應(yīng)用鐵素體鋼的30MPa/630/630的一次再熱機(jī)組。表2 低合金耐熱鋼的化學(xué)成分1997年起日本國立金屬研究所（NRIM）啟動(dòng)了一項(xiàng)用于35MPa/650參數(shù)級(jí)別的超超臨界機(jī)組大口徑管道和聯(lián)箱的高級(jí)鐵素體耐熱鋼的研究計(jì)劃。目前日本還在進(jìn)行所謂的“新陽光（New Sunshine）”的發(fā)電技術(shù)研究計(jì)劃，建立運(yùn)行溫度700的發(fā)電機(jī)組，該項(xiàng)目由日本電力（即以前的電源開發(fā)公司）牽頭，得到了日本通產(chǎn)省的大力支持，目前正對(duì)所需材料進(jìn)行研究。3.3 美國的研究計(jì)劃美國電科院（El

18、ectrical Power Research Institute，EPRI）早在19781980年間就開始了一些基礎(chǔ)研究，1986年EPRI又組織了包括美國、日本和歐洲鍋爐汽機(jī)制造廠參與的RP1403項(xiàng)目，為期八年，對(duì)電站鍋爐厚截面部件用鋼、材料的標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)場(chǎng)試用等進(jìn)行研究。該項(xiàng)目研究結(jié)果證實(shí)NF616（P92）和HCM12A（P122）鋼是制造鍋爐厚截面部件的合適材料。2000年美國能源部啟動(dòng)了一項(xiàng) “Vision 21”計(jì)劃，為15以后建立能使用煤、天然氣、石油焦、生活垃圾等多種原料且能生產(chǎn)電能、液體燃料、化工品、氫或者生產(chǎn)供熱等多種產(chǎn)品的工廠提供技術(shù)支持，且要求實(shí)現(xiàn)零排放，蒸汽參數(shù)達(dá)到

19、760，可能的話進(jìn)一步達(dá)到870。盡管歐洲和日本均將下一步的開發(fā)目標(biāo)定在700，但對(duì)美國市場(chǎng)，700不是最佳的選擇，因?yàn)樵谶@個(gè)溫度下，鍋爐管煙氣側(cè)的腐蝕仍然非常嚴(yán)重。煙氣側(cè)的腐蝕與煤的性能密切相關(guān)，且對(duì)美國某些煙煤特別嚴(yán)重。大量的實(shí)驗(yàn)室研究表明液態(tài)堿金屬硫酸鐵引起煙氣側(cè)腐蝕的溫度與合金有一定關(guān)系，對(duì)于高耐蝕合金（>25%Cr）為600-650，對(duì)低耐蝕合金（<20%Cr）為650-700。但所有實(shí)驗(yàn)室工作都證實(shí)在750或以上煙氣側(cè)的腐蝕絕大多數(shù)都消失了。研究表明最嚴(yán)重的腐蝕出現(xiàn)在600-675，在725以上腐蝕大幅度降低。因此對(duì)于美國市場(chǎng)新一代的鍋爐設(shè)計(jì)必須是過熱器/再熱器溫度超過

20、煙氣腐蝕最嚴(yán)重的范圍，760的設(shè)計(jì)目標(biāo)看來是比較合適的。這種鍋爐設(shè)計(jì)與其它地方的相比無論從整體上還是滿足美國市場(chǎng)的特殊性方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。目前為止提供用于5年期材料研究的經(jīng)費(fèi)為2100萬美元，其中包括高溫?zé)峤粨Q器材料、耐火材料、氫分離薄膜材料等。4 耐熱材料的發(fā)展4.1低合金（1-3Cr）鋼低合金鋼在火電廠鍋爐中作為壓力部件得到了大量應(yīng)用，特別是過熱器、再熱器的低溫區(qū)域以及水冷壁，在聯(lián)箱和管道中應(yīng)用也比較普遍。其關(guān)鍵的性能要求包括：l 450以下良好的抗拉強(qiáng)度（120MPa）；l 550以下的持久強(qiáng)度；l 無需焊后熱處理的優(yōu)異焊接性能；l 良好的蒸汽氧化性能；l 通過堆焊或噴涂獲得優(yōu)異的抗煙

21、氣腐蝕性能。長(zhǎng)期以來這類鋼中的主力鋼種包括鍋爐材料P11、P22以及12Cr1MoV等和汽輪機(jī)材料1CrMoV（表2）。隨后住友金屬開發(fā)了T/P23，通過在T22基礎(chǔ)成分中以W取代部分Mo并添加Nb、V提高蠕變強(qiáng)度，降低了C提高焊接性能，同時(shí)加入微量B提高淬透性以獲得完全的貝氏體組織。與此同時(shí)，歐洲開發(fā)了T24/P24，其合金化特點(diǎn)是通過V、Ti、B的多元微合金化提高蠕變性能。T23在550的許用應(yīng)力接近T91，600的蠕變強(qiáng)度比T22高93%，T24的高溫強(qiáng)度還要略高一些。這兩種鋼具有優(yōu)異的焊接性能，無需焊后熱處理即可將接頭硬度控制在350-360HV10以下，因此適合作為超超臨界機(jī)組的水冷

22、壁材料，也可取代10CrMo910、12Cr1MoV等材料作為亞臨界機(jī)組的高溫管道和聯(lián)箱，降低壁厚。4.2 9-12Cr馬氏體鋼9-12Cr馬氏體鋼是電廠中重要的一類材料，用于鍋爐和汽輪機(jī)的許多部件，包括鍋爐管、聯(lián)箱、管道、轉(zhuǎn)子、汽缸等。圖2 9-12Cr鋼的發(fā)展對(duì)于鍋爐用9-12Cr鋼，主要的要求包括蠕變強(qiáng)度和運(yùn)行溫度下的組織穩(wěn)定性、高的AC1溫度、良好的焊接性能和低的IV型裂紋敏感性、抗蒸汽氧化能力、疲勞性能等。圖2是鍋爐用9-12Cr鋼的發(fā)展過程。其中的T/P91鋼是美國在80年代開發(fā)的一種綜合性能優(yōu)異的9%Cr鋼，目前在我國的亞臨界和超臨界機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用。在P91的基礎(chǔ)上通過以

23、W取代部分Mo獲得了T/P92和E911（T/P911）兩種新型鋼種。在12%Cr鋼中通過相同的合金化思想開發(fā)了P122，只是為了避免出現(xiàn)鐵素體，其中還加入了1%Cu。這三種鋼高溫強(qiáng)度比P91都有不同程度的提高，是目前階段的超超臨界機(jī)組（蒸汽溫度<620）的聯(lián)箱和高溫蒸汽管道的主要材料。下一代的9-12Cr馬氏體鋼是在這三種鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加W含量并添加Co，即NF12和SAVE12等，預(yù)計(jì)可以用到650。在汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子、葉片、汽缸和閥體中對(duì)這類材料的性能要求包括：低周疲勞性能、蠕變強(qiáng)度、低的應(yīng)力腐蝕敏感性、鑄造性能等等。普通的12Cr鋼作為565以下汽機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件具有足夠的持久強(qiáng)度和抗

24、熱疲勞性能以及韌性等。9-12Cr汽機(jī)用鋼的合金強(qiáng)化趨勢(shì)與鍋爐鋼是類似的。英國的12Cr0.5MoVNbN（H46）是發(fā)展的基礎(chǔ)。美國五、六十年代在H46的基礎(chǔ)上降低Nb含量來降低固溶處理溫度和保證韌性，并減少Cr含量抑制鐵素體得到10.5Cr1MoVNbN（GE）以及GE調(diào)整型，同時(shí)還在12CrMoV基礎(chǔ)上開發(fā)含W的12Cr%轉(zhuǎn)子用鋼AISI 422，這些鋼與1.0CrMoV相比具有更好的性能，其中GE鋼在565的超臨界機(jī)組成功應(yīng)用了25年。日本在H46基礎(chǔ)上添加B開發(fā)了（TAF）用于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤和小型汽機(jī)轉(zhuǎn)子。但在運(yùn)行在595和650的超臨界和超超臨界機(jī)組中上述鋼種的蠕變強(qiáng)度尚不足。日本

25、70年代開發(fā)了12Cr-MoVNb系列593級(jí)別的TR1100（TMK1）和TOS101和12Cr-MoVNbWN系列620級(jí)別的TR1150(TMK2)和TOS107，更高合金含量的12Cr-MoVNbW 系列鋼TR1200和12Cr-MoVNbWCoB系列鋼TOS110則用于入口溫度高于630的轉(zhuǎn)子，其中TMK1和TMK2已被用于日本593以上的超臨界機(jī)組。在歐洲也在COST 501下開發(fā)了9.5Cr-MoVNbB（COST“B”）、10.5Cr-MoVNbWN（COST“E”）和10.2Cr-MoVNbN（COST“F”）等一系列轉(zhuǎn)子用鋼，這些鋼的原型鍛件已被用于理化分析和短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)力學(xué)

26、性能測(cè)試，其中COST“F”和COST“E”已應(yīng)用于歐洲的超超臨界機(jī)組。除了轉(zhuǎn)子用鋼，日本還開發(fā)了593使用的汽缸材料9.5Cr1MoVNbN（TOS 301）以及更高溫度使用的9.5Cr0.5Mo2WVNbN（TOS 302）和9.5Cr0.5Mo2WVNbNB3.0Co（TOS 303）。歐洲相應(yīng)地開發(fā)了G-X12CrMoWVNbN9 1和G-X12CrMoWVNbN 10 1 1兩種鑄鋼材料。4.3 奧氏體耐熱鋼奧氏體鋼主要用于過熱器、再熱器，所有奧氏體鋼可以看作是由18Cr8Ni（AISI 302）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，分為15Cr%、18Cr%、20-25Cr%和高Cr-高Ni四類。15

27、Cr%系列奧氏體鋼盡管強(qiáng)度很高但抗腐蝕性能差應(yīng)用較少。目前在普通蒸汽條件下使用的18Cr%鋼有TP304H、TP321H、TP316H和TP347H，其中TP347H具有最高的強(qiáng)度，通過熱處理使其晶粒細(xì)化到8級(jí)以上即得到TP347HFG細(xì)晶鋼，提高了蠕變強(qiáng)度和抗蒸汽氧化能力，對(duì)于提高過熱器管的穩(wěn)定性起著重要的作用，在國外許多超超臨界機(jī)組中得到了大量應(yīng)用。在TP304H基礎(chǔ)上通過Cu、Ni、N合金化得到18Cr10NiNbTi（Tempaloy A-1）和18Cr9NiCuNbN（Super304H），強(qiáng)度得到了提高，經(jīng)濟(jì)性很好。20-25Cr%鋼和高Cr-高Ni鋼抗腐蝕和蒸汽氧化性能很好，但相

28、對(duì)于強(qiáng)度來說價(jià)格過于昂貴限制了其使用。但新近開發(fā)的20-25Cr%鋼具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和相對(duì)低廉的成本，包括25Cr20NiNbN（TP310NbN）、20Cr25NiMoNbTi（NF709）、22Cr15NiNbN（Tempaloy A-3）和更高強(qiáng)度級(jí)別的（SAVE 25），這些鋼通過奧氏體穩(wěn)定元素N、Cu取代Ni來降低成本。4.4 Ni基高溫合金高溫合金早已用于航空領(lǐng)域，在目前的蒸汽發(fā)電機(jī)組中僅限用于葉片和緊固件材料。在電力行業(yè)只有采用先進(jìn)的高溫度設(shè)計(jì)才會(huì)對(duì)這類材料產(chǎn)生興趣。如果蒸汽參數(shù)提高到700以上，機(jī)組的許多部件將只能采用高溫合金。包括定向凝固和單晶合金在內(nèi)的Ni基合金正在進(jìn)行評(píng)

29、估應(yīng)用在汽輪機(jī)中。通常認(rèn)為蒸汽溫度700左右的超臨界鍋爐設(shè)計(jì)中將要求聯(lián)箱和主蒸汽管道在最高750下工作，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鐵素體鋼的能力，而奧氏體鋼的熱疲勞問題也使得它們用于此厚壁部件不太可能。盡管蠕變強(qiáng)度的要求對(duì)Ni基高溫合金來說不過分，但其它要求如焊接性能、成形性能和抗腐蝕性能不容易達(dá)到。在美國和歐洲的最新研發(fā)計(jì)劃中都在對(duì)高溫合金的工藝性能、力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估。5 機(jī)組關(guān)鍵部件的選材分析在超超臨界機(jī)組中，關(guān)鍵的部件包括水冷壁、高溫過熱器/再熱器及其出口聯(lián)箱、主汽和再熱汽管道、汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子、葉片、汽缸等。在前面已經(jīng)對(duì)這些部件材料的性能要求和相應(yīng)的材料進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，下面對(duì)鍋爐部件材料選擇進(jìn)行介

30、紹，因?yàn)檫@些部件選材是否合理對(duì)機(jī)組的可用率影響最大，在國外目前已投運(yùn)的超超臨界機(jī)組中這些部件出現(xiàn)的材料問題相對(duì)較多。5.1 水冷壁考慮到膜式水冷壁安裝和檢修的操作條件，膜式水冷壁制造材料需要采用焊后不需熱處理的鋼材，受此限制，盡管水冷壁的溫度與其它高溫部件相比不是太高，由于材料的選擇范圍非常有限，水冷壁也機(jī)組是向高參數(shù)過渡的關(guān)鍵部件之一。超超臨界機(jī)組主蒸汽壓力和爐膛熱負(fù)荷的升高會(huì)提高水冷壁的溫度。例如在32.5MPa/620的蒸汽參數(shù)下出口端的汽水溫度達(dá)到475左右，投運(yùn)初期的管壁中央溫度為497，垢層增厚后可提高到513左右，熱負(fù)荷最高區(qū)域的管子外壁溫度可達(dá)到524，最高的瞬時(shí)溫度可達(dá)到53

31、9。此時(shí)需要合金含量更高、耐熱性能更好的材料。圖1是一些水冷壁候選材料的持久強(qiáng)度。丹麥的Konvoj 1&2#機(jī)組（29MPa/582/580/580，1997、1998年投運(yùn)）選用了熟悉的13CrMo44作為水冷壁材料，該材料焊后不需熱處理。按照外徑38mm、壁厚6.3mm計(jì)算其最大允許汽溫435，即使增加壁厚也僅為450。13CrMo44是當(dāng)時(shí)最好的成熟水冷壁材料，業(yè)主當(dāng)時(shí)不愿承擔(dān)采用未經(jīng)考驗(yàn)的新鋼種的風(fēng)險(xiǎn)。在T22基礎(chǔ)上開發(fā)了兩種新鋼種HCM2S（T23）和7CrMoVTiB10 10（T24）焊接性能都很好，焊后硬度低于360HV10，不需要進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理，許用金屬壁

32、溫達(dá)到545和560，是主蒸汽溫度620以下鍋爐水冷壁的最佳候選材料。對(duì)于更高的蒸汽參數(shù)，三菱開發(fā)的HCM12是一種選擇，該鋼種也無需焊后熱處理（但需要焊前預(yù)熱），而蠕變性能更佳，但高的-鐵素體含量（30%）使得加工困難，長(zhǎng)期性能還需進(jìn)一步考證。同時(shí)三菱還試圖在T23中添加稀土進(jìn)一步提高性能。為了降低NOX的排放，現(xiàn)代的鍋爐還采用分段燃燒的技術(shù)，這對(duì)水冷壁是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，因?yàn)榭紤]到成本和焊接性能，水冷壁材料的合金含量尤其是Cr含量并不太高，其抗腐蝕能力有限，在爐膛的下部的還原性氣氛將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水冷壁管減薄（1-3mm/年），在使用高硫煤時(shí)必須考慮這一點(diǎn)，采用Cr含量稍高的鋼種、表面噴涂處理

33、甚至采用共擠復(fù)合管子。5.2 汽水分離器直流鍋爐的汽水分離器容積較大，在40-100%負(fù)荷之間汽水分離器僅僅作為蒸汽流通部件，而在更低的負(fù)荷時(shí)，水冷壁出口的工質(zhì)是汽水兩相流，汽水分離器將其中的水從飽和蒸汽中分離出來送回鍋爐給水，蒸汽送至過熱器。在啟停過程中汽水分離器經(jīng)歷從濕態(tài)到干態(tài)運(yùn)行的轉(zhuǎn)換，承受嚴(yán)重的熱疲勞應(yīng)力。在超超臨界機(jī)組中主蒸汽壓力的提高、水冷壁出口介質(zhì)溫度的升高，對(duì)汽水分離器材料的蠕變性能要求也有所提高?？晒┻x擇的材料包括P12、P22、P23、X20CrMoV121以及P91等，低強(qiáng)度的材料會(huì)使壁厚增加，影響啟停速率和運(yùn)行靈活性。但可以增加分離器的數(shù)量來減少所需的壁厚。5.3 聯(lián)箱

34、與管道末級(jí)過熱器、再熱器出口聯(lián)箱與主蒸汽、再熱蒸汽管道位于爐膛外邊，不需要考慮煙氣腐蝕問題，由于沒有煙氣加熱，可以認(rèn)為其蒸汽溫度即為金屬溫度。兩者對(duì)材料的要求基本一致，主要是高溫蠕變強(qiáng)度和熱疲勞性能、抗蒸汽氧化能力等。不同之處是聯(lián)箱材料的選擇需要考慮到與過熱器、再熱器和出口連接管之間的焊接問題。聯(lián)箱與管道的首選材料是鐵素體耐熱鋼，因?yàn)榈偷臒崤蛎浵禂?shù)和高的熱導(dǎo)率可以允許較高的啟停速率而不會(huì)導(dǎo)致這些部件嚴(yán)重的熱疲勞損傷。超超臨界機(jī)組的蒸汽溫度通常高于566，目前采用的聯(lián)箱和管道用鋼主要有P91、P92、P122和E911。P91在國內(nèi)已經(jīng)有10余年的使用經(jīng)驗(yàn)，在日本P91鋼最高使用溫度超過了600

35、，但在歐洲，根據(jù)歐洲蠕變合作委員會(huì)（ECCC）的建議，P91的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力比美國和日本低10%，認(rèn)為P91只能用于25MPa/593或30MPa/580以下的蒸汽參數(shù)。建議在我國的機(jī)組中使用溫度不超過580。P92和E911是在P91的基礎(chǔ)上添加的1.8%和1.0%的W并適當(dāng)降低Mo，P122的W含量與P92相近，但Cr含量由9%提高到了12%，同時(shí)添加了1.0%Cu以抑制-鐵素體的析出。這三種鋼可用于34MPa/620以下的蒸汽參數(shù)。在ASME標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中，P122和P92在600的許用應(yīng)力要比P91高30%左右，E911只比P91高10%，但根據(jù)歐洲的最新測(cè)試結(jié)果表明，P92和P122的長(zhǎng)

36、期蠕變性能實(shí)際并沒有那么大的優(yōu)勢(shì)。由于W含量較高，P92和P122在高溫下運(yùn)行的組織穩(wěn)定性低于P91，脆化傾向較大，高溫強(qiáng)度降低明顯，而E911介于其中。P122由于Cr含量高，抗蒸汽氧化能力更好。所有這些鋼作為厚壁部件時(shí)焊接接頭有型斷裂的傾向，即在臨近母材的HAZ細(xì)晶區(qū)發(fā)生的蠕變強(qiáng)度低于母材的斷裂，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到這點(diǎn)。對(duì)580的蒸汽溫度，P91可以滿足強(qiáng)度要求，且在國內(nèi)已經(jīng)有較多的使用和加工經(jīng)驗(yàn)；對(duì)600左右的蒸汽溫度，P92和E911有一定優(yōu)勢(shì)，如果汽溫進(jìn)一步提高到620左右，建議采用12%Cr的P122等材料，因?yàn)?00以上9%Cr鋼的蒸汽氧化性能略顯不足。從供貨來源上考慮，P9

37、2目前有3家生產(chǎn)廠，E911和P122各只有一家，對(duì)應(yīng)的焊接材料P92有4家生產(chǎn)廠，其余兩種新材料也只有一家。新近開發(fā)的NF12和SAVE12以及最近Fuijita剛報(bào)道的NF12改良型期望能用于650，但這些材料尚不成熟，缺乏足夠的性能數(shù)據(jù)。歐洲的COST計(jì)劃也在尋求開發(fā)在620以上蠕變強(qiáng)度和抗蒸汽氧化能力更高的12Cr鋼。盡管奧氏體鋼有熱膨脹系數(shù)高、導(dǎo)熱性差、價(jià)格昂貴等不足，選擇奧氏體鋼作為聯(lián)箱、管道材料仍然在人們的考慮當(dāng)中，因?yàn)檫@些缺點(diǎn)在一定程度上可以通過某些方式得到補(bǔ)償，或者當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，這種選擇是不得以的事情。首先由于蒸汽管道、聯(lián)箱的溫度對(duì)奧氏體鋼來說不是太高，可以選擇合金含量

38、低一些的鋼種，如X3CrNiMoN1713，成本可以降低。同時(shí)奧氏體鋼的高強(qiáng)度可以使壁厚降低從而提高容許溫升速率，如600、30MPa下P91鋼的聯(lián)箱容許溫升速率僅為X3CrNiMoN1713聯(lián)箱的一半。除此之外，還可以從采取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施來避免奧氏體鋼的不足，如增加平行的小尺寸的蒸汽通道的數(shù)量、設(shè)置末級(jí)前的中間聯(lián)箱等都可以減薄壁厚。通過這些措施X3CrNiMoN1713可以用到35MPa/620或25MPa/650以下的場(chǎng)合。目前已經(jīng)有4家德國電站決定大量采用該鋼種，其中包括Lippendorf 兩臺(tái)800MW的機(jī)組R、S和Boxberg 4#機(jī)組（440MW）。5.4 過熱器/再熱器過熱器/

39、再熱器管在鍋爐中是服役條件最為復(fù)雜、惡劣的部件，需要同時(shí)滿足蠕變強(qiáng)度、煙氣側(cè)抗腐蝕和飛灰沖蝕性能、蒸汽側(cè)抗氧化性能等。同時(shí)還需有較好的加工性能和經(jīng)濟(jì)性。受到煙氣側(cè)腐蝕的限制，除非燃煤的含S量極低，一般蒸汽溫度566以上的過熱器/再熱器管需要采用奧氏體耐熱鋼。在常規(guī)的奧氏體不銹鋼中，TP304H、TP321H、TP316H和TP347H等這些鋼在蒸汽溫度620以下的超超臨界機(jī)組作為高溫過熱器/再熱器時(shí)抗煙氣腐蝕性也是足夠的，蠕變強(qiáng)度偏低但通過增加壁厚可以滿足要求。歐洲早期一些蒸汽參數(shù)為580的超超臨界機(jī)組就選用了TP321等常規(guī)不銹鋼。但在USC機(jī)組的SH/RH選材中，蒸汽側(cè)的氧化性能是一個(gè)至關(guān)

40、重要的指標(biāo)，常規(guī)的奧氏體不銹鋼難以滿足要求，上述歐洲機(jī)組在運(yùn)行一段時(shí)間后即因氧化皮剝落造成機(jī)組停機(jī)，最后降低參數(shù)運(yùn)行。過熱器、再熱器材料抗蒸汽側(cè)的氧化性能也是選擇時(shí)考慮因素之一，運(yùn)行溫度的提高加劇了過熱器、再熱器的蒸汽氧化，這將導(dǎo)致三種后果：內(nèi)側(cè)氧化層的絕熱作用引起金屬超溫；氧化層的剝落在彎頭等處堵塞引起超溫爆管；蒸汽流中的氧化物顆粒對(duì)汽機(jī)前級(jí)葉片的沖蝕。9%Cr鋼的蒸汽氧化速率限制其使用溫度不高于600，12%Cr鐵素體鋼抗蒸汽氧化能力稍高一些。管子內(nèi)壁鍍Cr是一種有效的蒸汽氧化控制方法，對(duì)300系列不銹鋼進(jìn)行內(nèi)表面噴丸處理也很有效，但工程上沒有得到大量應(yīng)用。新開發(fā)的TP347HFG、Super304、HR3C是目前主要的USC機(jī)組末級(jí)過熱器/再熱器材料。Super304H是在TP304H的