对超超临界机组用新型钢国产化研制的探讨.doc

对超超临界机组用新型钢国产化研制的探讨中国发展超超临界火电机组和新型高温高强度钢的开发及国产化一直得到最广泛的关注。目前我国已运行、在建和规划建设中的超超临界火电机组已超过200台，对其使用的耐高温、耐高压金属材料的性能以及研发生产符合使用条件、保证安全稳定运行的国产化新钢种已成为推广应用超超临界技术的关键，也是广大用户的迫切需求。发电企业、有关科研单位、冶金和钢管生产及设备制造企业开始对这些新型钢的强化机理、组织机构、冶炼、成型加工、服役性能等方面进行研究、生产和试用，并已取得一些成果。2008年全国电力建设新增生产能力仍然保持较快增长，基建新增发电装机容量9051万kW，其中火电6575万kW。截至2008年底，全国发电装机容量达到79253万kWh。其中，火电达到60132万kWh约占总容量75.87%。火电机组建设继续朝向大机组、大容量、超超临界(USC)机组、节水环保型方向发展。虽然我国超超临界机组的发展取得了举世瞩目的发展，但超超临界机组用高温高强度钢材国产化研制和应用性能研究工作薄弱，因此，对耐高温耐高压金属材料的性能研究，已成为推广应用超超临界技术的关键。1、新型高温高强钢的开发是超超临界机组发展的关键技术1.1、超超临界机组是我国火电发展的必然趋势我国能源以煤炭为主，所以我国的能源发展政策是煤为主体，电为中心，保障社会经济的可持续发展。我国电力以煤为主要燃料的格局在今后相当长的时期内不会改变。故我国电力发展的基本方针是：提高能源效率，保护生态环境，加强电网建设，大力开发水电、优化发展煤电，积极发展核电，适度发展天燃气，鼓励新能源发电。发展燃煤发电机组，必须要带来巨大的环境压力。排放的烟气中含有SOX、NOX和CO2，并排出大量的灰渣和污水。给人类带来四大环境问题。温室效应、酸雨、臭氧层破坏和大气污染。优化发展煤电，提高燃煤发电机组的效率和减少污染物排放的洁净煤发电技术，从目前世界火力发电技术难度和现实性看，超超临界技术并配备以常规的烟气脱硫技术较易实现，且超超临界机组在国际上已经是商业化成熟的发电技术。1.2、超超临界机组发展的关键技术新型耐热钢的开发超超临界机组就是通过提高火电机组锅炉蒸汽温度、压力参数提高机组效率，特别是温度参数对效率的影响更为显著，而提高蒸汽参数遇到的主要关键技术是金属材料的耐高温、高压及焊接问题。我国正在建设的超超临界机组大量采用的新型铁素体耐热钢为SA213-T23、T91、T92；SA335-P91、P92、P122及新型奥氏体耐热钢为A213M-S30432 (SUPER304H)、TP310HCbN(HR3C)。超临界/超超临界(SC/USC)锅炉承压部件用钢选择，如表1所示。表1：超临界/超超临界锅炉承压部件用钢选择承压部件 超临界用钢 超超临界用钢 水冷壁 T1， T2， T11 T1， T2， T11；T23/T24 过热器再热器 T12， T22，T23， T91， TP304H， TP347H T12，T22，T23， T91，T92，TP310HCbN(HR3C)、A213M-S30432(SUPER304H) 主汽 P91 P92/P122/E911 再热冷段 Al672B70CL32A691Cr1-1/4CL22 再热热段 P91/P92P91/P92给水管道 WB36WB36 1.3、超超临界机组用新型耐热钢国产化工作要点(1)稳定国产T91钢管的质量，开展其高温持久强度，抗烟气腐蚀，抗蒸汽氧化及寿命评估方面的研究工作；(2)进一步研究和掌握P91钢管的合金化、强韧性强化机理和生产制造、热处理工艺，使国产P91钢管质量稳定，完善管径、壁厚、品种、规格，形成批量生产；(3)开展T92/P92钢材的国产化的基础研究，生产制造工艺的试验，尽快实现国产化；(4)加速A213M-S30432 (Super304H)、TP310HCbN (HR3C) 钢国产化的生产制造和挂炉试用工作；(5)同时开展与T91/P91、T91/P92、A213M -S30432 (Super304H)、TP310HCbN (HR3C)钢相匹配的焊接材料的国产化开发工作。2、电站锅炉用钢管技术规范2.1、电站锅炉钢管应当符合有关国家标准和行业标准(如:锅炉安全技术监察规程)等钢管制造单位必须保证质量，并提供质量证明书。金属材料和焊缝金属在使用条件下应具有规定的强度、韧性和断后伸长率以及良好的抗疲劳性能和抗腐蚀性能。2.2、电站锅炉用钢的基本要求制造锅炉的金属材料必须是镇静钢，其室温夏比(“V”形缺口试样)横向冲击功不低于27J，纵向冲击功不低于35J；且对钢板，其室温断后伸长率应不小于18%。2.3、采用新生产的钢管试制锅炉受压元件之前，钢管制造厂必须对此新钢管的试验工作进行技术评定，参加评定的单位应有冶金、制造、使用、安全监察机构、标准等有关部门和单位。评定至少应包括：化学成分、力学性能和组织稳定性、抗氧化性、物理性能、焊接性能、钢材制造工艺、钢材的冷热加工性能。2.4、钢管生产单位应当按相应钢管标准和订货合同的规定向用户提供质量证明书原件，并且在钢管的明显部位作出清晰、牢固的钢印标志或其他标志，其内容应当包括钢管标准号、牌号、规格、炉(批)号、钢管制造单位名称(或厂标)及检验印鉴标志。钢管质量证明书的内容应当齐全、清晰，并且加盖钢管制造单位质量检验章。锅炉用钢管由非钢管制造单位提供时，供货单位应当同时提供钢管质量证明书原件或加盖供应单位检验公章和经办人签章的有效复印件。3、T/91、TP92钢国产化中的冶炼、轧制及热处理工艺3.1、冶炼工艺国内P91钢坯主要来自东北特钢、宝钢上钢五厂等，冶炼工艺与国外基本相同，均为电弧炉冶炼+VD除气，冶金质量相差不大。问题的关键在于，国外对T91/P91、T91/P92钢进行的基础研究比较扎实，对其成分优化范围控制得更合理，不仅仅是按照ASME规范的成分生产，其对杂质控制很严，P、S的控制目标分别为不大于0.020%和不大于0.010%；除P、S以外，还对V、Nb、N、O、Al、Ti 、Cu、Sb、Sn、As等元素的允许范围也分别作出了规定。T91/P91、T91/P92钢冶炼还要注意以下几点：(1)采用S、P含量低的炉料，碱性炉衬和炉渣要充分脱除S、P。(2)重熔高Cr废钢时应快速熔化，以降低Cr的烧损。(3)应以真空熔炼或真空精炼的低Si( Si含量0.75%)铬铁进行Cr合金化。(4)采用特殊变质剂Ba、Ca、Zn等除气除S，尽量少用Al、不用Ti。(5)真空变质精炼除气除S，最好真空浇注。(6)铸锭应顺序凝固，底部快冷和头部冒口加热。(7)铸锭应冷却至温度不低于500时及时入炉退火。3.2、制管工艺制管过程涉及到材料的锻造比、形变速率、温度控制等，对材料的组织性能及产品质量有重要影响，因此制管工艺是钢管生产商的技术秘密之一。国外公司如威曼高登(WG)采用反挤压制管工艺，瓦卢瑞克曼内斯曼(V&M)和住友(SUMITOMO)采用轧管机轧制钢管或拔伸制管工艺。T91/P91、T91/P92钢的合金元素量达10%，这带来了三个需要引起注意的问题：一是铸锭的柱状晶和成分偏析增大；二是热导性降低；三是淬透性甚好，80mm直径的棒，即使空冷也能获得马氏体。这就为钢的轧制带来了诸如铸锭的均匀化退火和轧制时的热制度等问题。轧制的加热制度包括：(1)坯料的加热速度不可过快。(2)加热均温要充分均透。(3)开轧温度不能低，以保证足够的压下量(塑性变形量)和无缺陷轧制。(4)终轧温度不能高，温度最好控制在900800，以防再结晶的发生。(5)轧后必须低温退火，以降低残留应力。3.3、热处理工艺热处理工艺决定着管道产品的最终性能。ASME标准给出的工艺参数范围很宽，生产厂需进行试验，找出最佳热处理工艺。钢管的化学成分确定之后，最终赋予钢管优良力学性能的是热处理工艺，热处理工艺造就了钢管的组织结构，组织结构决定了钢管的力学性能，只有性能合格的钢管才能使用于工程，这就是“成分-组织-性能-加工-使用”的5元环链关系。在这个环链中，任何一环的断开都会使整个环链崩溃。因此，钢管在使用中的质量问题，需从这个环链的其余4个环节查起。3.4、表面精整进口管道如德国V&M和日本住友采用机加工(即内镗外车)，美国威曼高登则采用强力磨削的方法。 国内多数厂家也是采用机加工方法进行内、外表面精整。4、国产新型钢在超超临界机组投入运行后的金属监督研究工作应该指出，我们应充分发挥多年来积累起来的金属监督经验，深入认识国产新型钢在电站实际服役条件下，经过长期高温高压运行后，钢材显微组织变化规律以及认识由此带来的对蠕变断裂强度和塑性韧性的影响。加强超超临界机组安全运行的关键技术金属监督研究。4.1、经过长期高温高压运行后，国产新型钢材显微组织及性能变化规律的研究 国产T91/P91、T91/P92钢在高温高压运行后其显微组织结构变化主要为位错密度的降低和固溶W析出形成Laves相等，前者降低高温强度，而Laves相不但降低高温强度，而且还显著降低冲击韧性。国产S30432 (Super304H)钢是在传统的18-8奥氏体不锈钢(TP304H)中加3Cu和0.5Nb。获得了较高的持久强度，650许用应力值比TP304H还高出40以上。根据目前国外的研究，这种钢在一定的温度范围内时效，其韧性都有降低的现象，而在长期运行后，其组织性能的变化规律仍需进一步研究。4.2、经过长期高温高压运行后，国产新型钢材的抗高温腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能的研究国产T91/P91、T91/P92钢抗高温腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能的研究，一般来说，高温材料依靠一种或多种合金成分的选择性氧化来形成保护性氧化皮，这就必须满足两个条件：一是基体中的选择性氧化元素必须有足够高的浓度；二是这些元素必须有足够高的扩散速率，以保证它们能对正在生长的氧化皮下的基体进行补充，从而保证长期的保护功能。铬是提高抗氧化性的重要元素，T91/P91、T/P92钢均是依靠铬抗蒸汽氧化的。在超超临界机组中，由于蒸汽温度高，蒸汽侧氧化和氧化层的剥落问题，比亚临界机组更为严重，国外超超临界机组中有因为严重的蒸汽氧化问题被迫降参数运行的情况，此问题应在运行中给予充分关注。国产S30432(Super304H)钢抗高温腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能的研究，由于S30432是细晶钢，其抗高温腐蚀和抗高温蒸汽氧化性能均应高于TP304H和TP321H钢。这些都是在长期运行中需要研究的重要问题。4.3、研究国产新型钢老化规律，确保机组安全运行目前在已运行的亚临界机组中，寿命评估得到了深入的研究和广泛的应用，为机组的状态检修提供了有力的数据，而在超超临界机组中将采用的国产新型纲，尽管其性能有了明显的提高，但同时也在更高的