T91鍋爐管技術(shù)開發(fā)-劉正東

超超臨界火電機(jī)組用T91鋼管及鍋爐鋼技術(shù)劉正東鋼鐵研究總院結(jié)構(gòu)材料研究所2010年3月16日山東萊蕪鋼鐵研究總院CISRI

CISRI目錄發(fā)展超超臨界火電機(jī)組的戰(zhàn)略意義超超臨界火電鍋爐鋼管需求T91鍋爐鋼管研制鍋爐鋼研發(fā)理論的發(fā)展天津鋼管廠T91鋼實(shí)踐連鑄T91鋼管工業(yè)試制-興澄特鋼鋼鐵研究總院耐熱鋼專業(yè)設(shè)備發(fā)展超超臨界火電機(jī)組的戰(zhàn)略意義浙江玉環(huán)電廠-中國(guó)第一個(gè)超超臨界火電機(jī)組已于2006年并網(wǎng)年份容量（億千瓦）火電（%）水電（%）核電（%）新能源（%）20003.1972.124.870.6620054.7074.8023.201.900.1420066.2277.8220.071.200.1020077.132977.7320087.9253075.8721.641.151.12202013.4065.023.04.0中國(guó)煤產(chǎn)量及火電用煤情況（億噸）2002200320042007年煤產(chǎn)量12.516.617.525.2我國(guó)煤儲(chǔ)量6565火電用煤7.08.59.3經(jīng)濟(jì)開采量618電煤比重56%51%53%60%中國(guó)電源的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議：國(guó)家能源戰(zhàn)略決策“優(yōu)先開發(fā)水電，積極發(fā)展核電，優(yōu)化發(fā)展火電”火電機(jī)組參數(shù)與熱效率中國(guó)火電機(jī)組蒸汽參數(shù)的演變中國(guó)火電機(jī)組蒸汽參數(shù)的演變中國(guó)火電機(jī)組煤耗和熱效率中國(guó)機(jī)組發(fā)達(dá)國(guó)家USC機(jī)組火電機(jī)組平均煤耗(g/kWh)~381300~310火電機(jī)組平均熱效率（%）~30>40每年多消耗近3億噸煤增加成本消耗能源運(yùn)輸壓力嚴(yán)重污染環(huán)境節(jié)能減排最重要的措施超超臨界機(jī)組的戰(zhàn)略意義超超臨界火電鍋爐鋼管需求浙江玉環(huán)電廠-中國(guó)第一個(gè)超超臨界火電機(jī)組已于2006年并網(wǎng)火電機(jī)組生產(chǎn)示意圖

CO2排放中國(guó)高壓鍋爐管的供需情況年份產(chǎn)量進(jìn)口量出口量?jī)暨M(jìn)口量表觀消費(fèi)量200193600714241079160633154233200211772011474829921117562294762003292305156439324215319744550220045791082979866474291512870620200576605530069924442276257104231220068590822508304784420298610620682007892118165155130114350419271592008200920102011單位：噸鍋爐鋼管選材鍋爐鋼管選材序號(hào)機(jī)組參數(shù)主蒸汽管道再熱管道熱段再熱管道冷段主給水管道MWT(℃)P(MPa)120054013.710CrMo910/P22Φ355.5*5010CrMo910/P22Φ508*16～17.5ST45.8/ⅢSA106CΦ558.8*14.2ST45.8/ⅢΦ355.6*36～40230054018.2P22ID368.3*83.1～95P91Φ448.3*40P22ID635*31～33SA106BΦ802*21ST45.8Φ406.4*55360054018.2P22ID457*103～113P91Φ666.6*63.2P22ID870*43A672B70C132Φ1066.8*20.6SA106BΦ350*51.5460056624.2P91ID419.1*78,ID298.5*58.5P22ID654*136.5P91ID660.4*25.4,914.4*34A672B70C132Φ711.2*33Φ1016*25.4WB36Φ559*54Φ355.6*40560060025P92ID292*71ID406*98P92ID883*41ID629*29A691Gr21/4C122Φ1016*31.75Φ711*22.23WB36Φ355.6*40Φ508*556100060025P92ID38.1*78,ID254*54P92ID265*54.7P91ID749.3*44.45ID20.7*32P92ID510*21.3ID720*29.3P91ID720*38.8A672B70C132Φ1219.2*39Φ863.6*28WB36Φ660*67.5Φ457*60百萬(wàn)千瓦USC鍋爐鋼管品種分布鍋爐鋼管需求規(guī)格Φ31以下1.5%Φ31～146*3～2065%Φ159～245*10～605%Φ273～711*20～13020%Φ711～1066*20～1308.5%火力發(fā)電設(shè)備用鋼管的平均定額約為100t/萬(wàn)KW(鍋爐90t/萬(wàn)KW，電廠及四大管道10t/萬(wàn)KW)，合金比為60%～70%.其中:2010年五大發(fā)電集團(tuán)目標(biāo)T91鍋爐鋼管研制浙江玉環(huán)電廠-中國(guó)第一個(gè)超超臨界火電機(jī)組已于2006年并網(wǎng)在工程熱力學(xué)中水的臨界點(diǎn)參數(shù)是：22.115MPa和374.15℃，在此參數(shù)之上，水和汽之間沒有明顯的物理界面，稱為超臨界狀態(tài)。在此參數(shù)以上運(yùn)行的機(jī)組稱為超臨界機(jī)組。對(duì)于超超臨界物理上并沒有明確的點(diǎn)，對(duì)超超臨界機(jī)組各國(guó)的定義沒有統(tǒng)一。國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為當(dāng)水蒸汽壓力≥27MPa或溫度≥580℃時(shí)則可稱為超超臨界機(jī)組。亞臨界機(jī)組熱效率＜39％，超臨界機(jī)組熱效率＜42％，超超臨界機(jī)組熱效率根據(jù)具體的蒸汽參數(shù)和其它影響因素不同在40％以上，丹麥的Nordjylland3#和Sk?rb?k3#由于采用兩次再熱和深海水冷卻是效率最高的超超臨界機(jī)組，凈效率達(dá)到49%（燃?xì)猓┗?7%（燃煤），我國(guó)玉環(huán)電廠（26.25MPa/600℃/600℃）的設(shè)計(jì)熱效率為45.01％超超臨界概念？高溫高壓腐蝕環(huán)境下長(zhǎng)期服役條件下，要求耐熱材料具備：足夠的持久強(qiáng)度組織穩(wěn)定性（基體、析出物、界面）耐蝕性（流動(dòng)的超超臨界蒸汽、復(fù)雜煤灰）可焊接性可加工性

蒸汽25.4MPa，650℃

（650+50）℃3×105小時(shí)煤灰鐵素體系奧氏體系耐熱合金鍋爐管鍋爐鋼的服役環(huán)境及對(duì)性能的要求使用材料的持久強(qiáng)度不夠，造成爆管的嚴(yán)重事故。使用材料的抗蒸汽氧化、耐熱腐蝕性能不夠，氧化皮打壞汽輪機(jī)葉片、造成過(guò)熱器、再熱器堵塞等事故，造成機(jī)組停運(yùn)。國(guó)外公布材料性能數(shù)據(jù)與實(shí)際值相比偏高，使機(jī)組建成后被迫降低參數(shù)運(yùn)行，損失巨大。國(guó)內(nèi)外超超臨界火電機(jī)組使用中暴露出來(lái)的材料問(wèn)題管子內(nèi)壁的氧化皮;剝落的氧化皮造成堵管中國(guó)鍋爐鋼代際劃分和現(xiàn)狀蒸汽溫度，℃＜600℃600℃650℃700℃第1代鍋爐鋼第2代鍋爐鋼第3代鍋爐鋼第4代鍋爐鋼第5代鍋爐鋼標(biāo)志：10萬(wàn)小時(shí)持久強(qiáng)度+抗蝕性能~2010年2010年~火電用鋼及其體系的演變G102-劉榮藻教授劉榮藻教授在上世紀(jì)60年代提出了多元復(fù)合強(qiáng)化的理論，在60年代末期研制成功G102（12Cr2MoWVTiB），在70年代研制成功G106（10Cr5MoWVTiB）劉榮藻教授的理論和G102的成功，美國(guó)V.K.Sikka教授非常崇拜，并且研發(fā)T91獲得成功日本研制成功的T23（HCM2S，CC2199-3，6Cr2W2MoNbVNB）、歐洲研制成功的T24（CC2514，6Cr2Mo1VTiNB）都是G102的改型劉榮藻教授1915-2004DevelopmentOfGrade91MaterialCombustionEngineer(CE)DesignedAndDevelopedGrade91Material

-SubmittedthefirstproposaltotheUS-DOEin1969forthedevelopmentofaSuper9Crmaterialforthesodium-coolednuclearreactorapplication -Approvalwasgrantedtodevelop“hardware”atCEbyearly1975undertheprojectadministrationofORNL(OakRidgeNationalLaboratory) -Establishedthealloycomposition&demonstratedfavorablepropertiesin1976 -MHI&SumitomojoinedinthetestingofGrade91material -Grade91wasnotoptimizedforfossilboilerapplicationsDr.Sikka中國(guó)近20年鍋爐鋼研發(fā)1993年,開始T91鋼的仿制研究1997年,開始S30432鋼的仿制研究2005-06年,T122和S304322007-08年,650℃蒸汽參數(shù)預(yù)研2007-10年，支撐計(jì)劃2008-11年，650℃蒸汽參數(shù)鍋爐管2010-14年，973計(jì)劃2009年，提出“多元復(fù)合強(qiáng)化+組織退化失穩(wěn)分析+選擇性強(qiáng)化”理論，發(fā)展了“多元復(fù)合強(qiáng)化”理論鋼鐵研究總院開展鋼種創(chuàng)新研究

鋼鐵研究總院正在開發(fā)的新鋼種:

G108和G109計(jì)劃替代600-620℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組中批量應(yīng)用的Super304H和HR3C鋼

G113和G115計(jì)劃用于650℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組鋼鐵研究總院與日本NIMS耐熱鋼研發(fā)團(tuán)隊(duì)在北京合影，2005年許用應(yīng)力與鍋爐管壁厚T91鋼生產(chǎn)工藝路線國(guó)產(chǎn)T91鋼持久蠕變曲線寶鋼、日本、歐洲T91鋼S含量控制水平鍋爐鋼研發(fā)理論的發(fā)展浙江玉環(huán)電廠-中國(guó)第一個(gè)超超臨界火電機(jī)組已于2006年并網(wǎng)先進(jìn)馬氏體耐熱鋼技術(shù)前沿AfterF.Abe，NIMS鍋爐鋼研發(fā)思路之一：持久強(qiáng)度構(gòu)成固溶強(qiáng)化：大直徑元素W、Mo置換Fe沉淀強(qiáng)化：析出物體積分?jǐn)?shù)，%粒徑，nm間距，nmOrowan，MPaFe2(W,Mo)1.57041095M23C62.050260150MX0.220320120Orowan應(yīng)力:σ=0.8MGb/λ;M：Taylor系數(shù)，取3.03.位錯(cuò)強(qiáng)化：σ=0.5MGbρ∧1/2，回火后位錯(cuò)密度為1-10×10∧14/平米4.亞界面強(qiáng)化：σ=10Gb/λ，如

λ=300-500nm,b=0.25nm,G=64GPa

亞界面強(qiáng)化值可高達(dá)320-530MPaAfterF.Abe，NIMS持久強(qiáng)度構(gòu)成鍋爐鋼研發(fā)思路之二：組織失穩(wěn)退化600oC100MPa34,141hPAGB晶界附近的組織退化導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)服役后持久強(qiáng)度的突然下降如何提高晶界附近組織的穩(wěn)定性？基體：T.M.+Delta-F.引自日本NIMS數(shù)據(jù)P92鍋爐鋼研發(fā)思路之三：選擇性強(qiáng)化AfterF.Abe，NIMSAfterF.Abe，NIMSB與N的最佳配比AfterDr.Abe，NIMSMartensiticsteelstrengthenedbyZ-phase12CrsteelZ65012CrVNbNsteelIdea:accelerateZ-phaseformationtosuppressharmfulgrowthAfterJ.Hald焊接問(wèn)題焊縫金屬韌性遠(yuǎn)低于HAZ和熔合區(qū)HAZ蠕變斷裂強(qiáng)度下降異種鋼焊接接頭的早期失效（鐵素體熱強(qiáng)鋼+奧氏體鋼焊接接頭性能與母材不匹配）焊接材料的研究嚴(yán)重滯后鋼鐵研究總院專業(yè)設(shè)備浙江玉環(huán)電廠-中國(guó)第一個(gè)超超臨界火電機(jī)組已于2006年并網(wǎng)鍋爐鋼測(cè)試條件-持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)鋼鐵研究總院：已建成100臺(tái)，正在準(zhǔn)備建設(shè)200臺(tái)寶鋼股份公司：260臺(tái)鍋爐鋼測(cè)試條件-高溫蒸汽腐蝕主要技術(shù)指標(biāo)：溫度：可達(dá)750℃蒸發(fā)量：可達(dá)8L/h蒸汽：流動(dòng)水：特級(jí)專用水試樣：片狀或管狀實(shí)驗(yàn)前：抽真空鍋爐鋼測(cè)試條件-高溫灰化腐蝕鍋爐鋼測(cè)試條件