超超临界火电厂材料技术研究综述

超超临界火电厂材料技术研究综述超超临界火电厂材料技术研究综述 中国 海南中国科协xx年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会xx 年学术年会论文集19超超临界火电厂材料技术研究综述周荣灿 西 安热工研究院有限公司 陕西省西安市710032 MATERIALS TECHNOLOGYFOR ULTRASUPERCRITICALPOWER PLANTSZHOU Rong can Thermal PowerResearch Institute Xi an710032 Shaanxi Province China ABSTRACT Ultrasupercritical fossilpower plantis themost efficientand technicallyfeasible solutionamong theclean coaltechnologies The improvementof steamparameters needsmaterials withimproved creepstrength fatigue strength oxidation and corrosion proof propertiesetc The developmentand applicationof heat resistant materialsis thekey issuein theUSC technology The internationalresearch projectsand thedevelopment ofheat resistant steelsare reviewedin thepresent paper There areseveral USCpower plantsunder constructionin China Research onfabrication technologyand serviceproperties ofthe newmaterials shouldbe carriedout tosupport theconstruction andsafe operation KEY WORDS Ultrasupercritical powerplant Materials摘要超超临界火力发电是现阶段技术上最成 熟 技术经济性最好 且已经实现商业运行的技术 在最近数十年 将有广阔的应用前景 由于蒸汽温度和压力的提高对关键部件的抗蠕变 疲劳 高温氧化 与腐蚀等性能都提出了更苛刻的要求 耐热材料的开发及其应用技 术是发展超超临界发电技术的最重要的基础 本文对国际上各阶段的研究计划及其中的材料研究内容进行了简要 介绍 并对超超临界发电机组中各关键部件采用的耐热材料的发展进行了 回顾 国内近已有数台超超临界机组开始投入建设 超超临界火电技术在 我国有着非常广阔的发展前景 但国内目前机组的建设只能立足于材料的国际采购 对于新型耐热 材料还需要进行大量的加工工艺研究和服役特性研究 以保障机组 顺利建设和安全可靠运行 关键词超超临界火电厂 材料1前言火力发电行业目前面临两方面的 压力 首先市场竞争的加剧需要降低发电成本 另一方面人们对全 球环境问题日益关注 要求电厂降低SO X NO x CO2的排放 满足严格的环保要求 发展洁净煤发电技术是解决这些问题的关键 其一是开发利用新的 高效发电技术 如整体煤气化联合循环 IGCC 发电 增压流化床 燃烧技术 PFBC 等 其二是基于常规的发电系统 提高机组的蒸 汽参数 即机组的超临界 SC 和超超临界化 USC 发展高经济 性 高效率的高参数 大容量机组 到目前为止超临界机组在国际 上已经相当普及 丹麦ELSAM公司对IGCC PFBC和USC三种发电技术都有试验项目 他 们的研究结论认为 就目前以及将来一段时间内 超超临界机组的 技术继承性和可行性最高 同时USC发电具有最高的效率和最低的建 设成本 除了上世纪 50 60年代投运的几台超超临界机组外 从90年代初到目前为止全 世界已经新建超超临界机组超过60台 其参数还在不断地提高 我国也正积极发展超超临界燃煤发电技术 已经有几座超超临界电 厂正在建设之中 2材料技术在超超临界发电中的作用超超临界机组相对超临界机组蒸 汽温度和压力参数的提高对电站关键部件材料带来了更高和更新的 要求 尤其是材料的热强性能 抗高温腐蚀和氧化能力 冷加工和热 加工性能等 因此材料和制造技术成为发展先进机组的技术核心 国际上已经在运营或在设计建设阶段的超超临界机组温度参数大多 在566 620 压力则分为25MPa 27MPa和30 31MPa三个级别 高的蒸汽参数对电站用钢提出了更苛刻的要求 对锅炉来说具体表 现在 1 高温强度 对于主蒸汽管道 过热器 再热器管 联箱和水冷壁材料都必须有与 高蒸汽20中国科协xx年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会xx 年学术年会论文集中国 海南参数相适应的高温持久强度 2 高温腐蚀 烟气侧的腐蚀是影响过热器 再热器 水冷壁寿命的一个重要因素 当金属温度提高 烟气腐蚀将大幅度上升 因此超超临界机组中 腐蚀问题更加突出 3 蒸汽侧的氧化 运行温度的提高加剧了过热器 再热器甚至包括联箱和管道等蒸汽 通流部件的蒸汽侧氧化 这将导致三种后果氧化层的绝热作用引起 金属超温 氧化层的剥落在弯头等处堵塞引起超温爆管以及阀门泄 漏 剥落的氧化物颗粒对汽机前级叶片的冲蚀 因此在过热器 再热器等材料选择中应充分考虑到抗蒸汽氧化及氧 化层剥落性能 4 热疲劳性能 由于在机组启停 变负荷和煤质波动引起的热应力 对于主蒸汽管 道 联箱 阀门等厚壁部件 材料的抗热疲劳性能是与高温强度同 等重要的指标 应在保证强度的前提下尽可能选择具有高热导率和 低的热膨胀系数的铁素体耐热钢 对汽机而言 其中的转子 叶片以及其它旋转部件承受巨大的离心 力 运行参数的提高对耐热钢的热强性能提出了更高要求 而汽缸 阀门等由于温度和压力的提高也需要更好的热强性能 高温紧固 件需要有更高的拉伸屈服强度和蠕变松弛强度 在蒸汽环境下的抗 应力腐蚀能力以及足够的韧性 塑性以避免蠕变裂纹形成 机组的启停 变负荷与煤质的波动要求厚壁部件如转子 缸体 阀 门材料有低的热疲劳和蠕变疲劳敏感性 对再热蒸汽温度高于593 的低压转子还必须考虑材料在该温度范围 内的回火脆性 3国外耐热钢开发计划历史上曾经在50 60年代投运了几台USC机组 包括美国Philo6 125MW 31MPa 621 565 538 Eddyston e1 325MW 34 5MPa 649 566 566 英国的Drakelow12 375MW 24MPa 593 联邦德国H ls化工厂的自备电厂1机 85 MW 29 4MPa 600 560 650 等 但由于技术和经济原因 美国和德国的机组都只能降低参数运行 如Eddystone1 大多数时间是在32 4MPa 605 的参数下运行 制造 和运行中出现的多数的问题都是材料问题 受当时的材料技术水平 限制 厚壁部件采用奥氏体耐热钢 奥氏体钢的低导热系数和高热 膨胀系数引起高温热应力和疲劳开裂 考虑到建设成本和可用率 后来新建的机组退回到了亚临界参数 直到70年代中期能源危机的出现及随后的燃料价格攀升才使人们重 新考虑高参数发电技术 促成了一系列发展超临界和超超临界发电 技术的合作研究计划 由于已充分认识到耐热材料对成功实现高参数机组建造和可靠运行 的决定作用 这些研发项目都把耐热材料的研究和应用作为主要内 容 其研究结果构成了目前超超临界机组的材料技术基础 目前还在进行新一轮研究计划为今后20 30年提供发电技术 如欧盟 的Thermie AD 700 美国的Vision21和日本的New Sunshine计划等 3 1欧洲的超超临界机组材料研究3 1 1COST501计划欧洲超超临界电 站材料的研发主要在COST Cooperation inScience Technology 计划的支持下完成 1983 1997年期间进行的COST501计划主要开发化石燃料电厂部件用先进材 料 研究范围非常广 几乎包括了耐热钢 高温合金 ODS合金 陶 瓷等各种材料的开发和性能研究 在汽轮机发电技术中 COST501计划的目标是建立29 4MPa 600 60 0 和29 4MPa 600 620 的机组 其中中包括高N和含硼铁素体钢 的开发 联箱及管接头整体粉末冶金制备等 在COST501中由欧盟各国的汽轮机和锅炉制造商 钢铁生产企业 电 力公司参与研究和开发 并与VGB Brite Euram Marcko ECCC等机构和项目紧密结合 整个项目分为三个阶段进行第一阶段有12个国家参与 共104个项目 总经费1500万欧元 第二阶段14个国家参与 共210个项目 总经 费4800万欧元 第三阶段集中于开发高效低排放系统所需的材料 共16个国家参与 有超过200个项目 在COST501中开发出了E911锅炉管和高温蒸汽管道材料以及COST E COST F和COST B等汽轮机转子材料 G X12CrMoWVNbN91和G X12CrMoWVNbN1011铸钢等 同时对P 91 E911等材料的加工工艺和性能进行了全面研究 3 1 2COST522计划COST522计划是欧洲在先进发电技术领域的一项新 的举措 即 21世纪的发电高效率 低污染的发电厂 它是在以 往的COST计划特别中国 海南中国科协xx年学术年会电力分会场暨中 国电机工程学会xx年学术年会论文集21是COST501计划成功的基础上 的继续 该计划1998年8月开始 到xx年结束 其中有16个国家的70个不同机构参与 共有100多个研究项目 欧盟国计划开发合适的材料 涂层和表面处理以满足 1 高入口蒸汽温度650 的蒸汽轮机电厂 2 温度1450 NO x排放小于10ppm的燃气轮机的需要 在蒸汽轮机项目中 将应用铁素体钢建造蒸汽参数为29 4MPa 620 650 的超超临界机组 效率达到50 左右 同时还将改善寿命预测的方法 建立描述蠕变和低周疲劳行为的材 料模型 并改善电厂模拟技术和运行状态的监测 分为锅炉和汽轮机两个子项目 图1是COST522蒸汽轮机发电项目组 的组织图 图1COST522蒸汽轮机发电项目组的组织3 1 3Thermie AD700项目欧盟还启动了最新一轮的研发计划 Thermie AD700PF PowerPlant 兆卡计划 先进的700 燃煤电厂 即在今后20年实 现37 5MPa 700 参数运行 效率达到55 的目标 Thermie计划由40 多个欧洲公司资助 预计于xx年完成 其中关键部件将采用Ni基高温合金 材料研究工作集中于高温长期运 行部件的蠕变性能 烟气和蒸汽腐蚀氧化 热疲劳性能和厚壁部件 的生产 焊接能力等 例如他们正计划用改良Inconel617 54Ni 22Cr 1 2Co 9Mo 1Al 0 3Ti 制造用于高温出口部件的锅炉大口径管 作为过热器管这种材料的750 105h强度要达到100MPa 作为其它 高温区域用的大口径管道700 的强度达到100MPa 但是制造改良Inconel大口径管的工艺还有待开发 Thermie计划是围绕两个主题进行组织的更清洁的能源系统包括可再 生能源 有助于提高欧盟竞争力的经济高效的能源系统 AD700项目共分6个阶段 表1 表1AD700项目的时间表除此之外 在欧洲各国还有自己的耐热材料 研究项目 如德国的MARKCO和VGB 158 英22中国科协xx年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会xx 年学术年会论文集中国 海南国洁净煤技术项目等 3 2日本的新材料研究日本的钢铁生产企业如住友金属 NKK 新日 铁 神户制钢和锅炉 汽机制造商如三菱 东芝等都投入了大量的 力量开发用于先进的燃煤发电机组用的新型耐热材料 比较成功的 有新日铁的NF616 T P92 住友金属的HCM2S HCM12A Super304 H TP347HFG HR3C等锅炉部件用钢和TMK1和TMK2等转子用钢 80年代初 日本启动了超超临界发电技术的研究计划 由电源开发 公司 EPDC 领衔 钢铁 锅炉 汽机制造厂和研究机构参加 由于日本当时已经开发出了一系列的9 12Cr 铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢 其蠕变强度和耐腐蚀性能都 很好 因此日本对超超临界机组的研究主要集中于这些耐热材料在 现场应用中的性能数据和可靠性 第一阶段 1981 1993年 的研究内容包括材料基础性试验 593 和649 下锅炉 汽机的单元试验 高温转子试验和超高温汽轮机运 行验证试验等 其目标是开发应用9 12 Cr铁素体耐热钢的31 4MPa 593 593 593 以及应用奥氏体 钢的34 3MPa 649 649 649 的两次再热机组 第二阶段 1994 2000年 的目标是开发应用铁素体钢的30MPa 630 630 的一次再 热机组 1997年起日本国立金属研究所 NRIM 启动了一项用于35MPa 650 参数级别的超超临界机组大口径管道和联箱的高级铁素体耐热钢的 研究计划 目前日本还在进行所谓的 新阳光 New Sunshine 的发电技术研究计划 建立运行温度700 的发电机组 该项目由日本电力 即以前的电源开发公司 牵头 得到了日本 通产省的大力支持 目前正所需材料进行研究 3 3美国的研究计划美国电科院 Electrical PowerResearch Institute EPRI 早在1978 1980年间就开始了一些基础研究 19 86年EPRI又组织了包括美国 日本和欧洲锅炉汽机制造厂参与的RP1 403项目 为期八年 对电站锅炉厚截面部件用钢 材料的标准化 现场试用等进行研究 该项目研究结果证实NF616 P92 和HCM12A P122 钢是制造锅炉 厚截面部件的合适材料 2000年美国能源部启动了一项 Vision21 计划 为15以后建立能 使用煤 天然气 石油焦 生活垃圾等多种原料且能生产电能 液 体燃料 化工品 氢或者生产供热等多种产品的工厂提供技术支持 且要求实现零排放 蒸汽参数达到760 可能的话进一步达到87 0 尽管欧洲和日本均将下一步的开发目标定在700 但对美国市场 700 不是最佳的选择 因为在这个温度下 锅炉管烟气侧的腐蚀仍 然非常严重 烟气侧的腐蚀与煤的性能密切相关 且对美国某些烟煤特别严重 大量的实验室研究表明液态碱金属硫酸铁引起烟气侧腐蚀的温度与 合金有一定关系 对于高耐蚀合金 25 Cr 为600 650 对低耐蚀合金 20 Cr 为650 700 但所有实验室工作都证实在750 或以上烟气侧的腐蚀绝大多数都消 失了 研究表明最严重的腐蚀出现在600 675 在725 以上腐蚀大幅度降低 因此对于美国市场新一代的锅炉设计必须是过热器 再热器温度超过 烟气腐蚀最严重的范围 760 的设计目标看来是比较合适的 这种锅炉设计与其它地方的相比无论从整体上还是满足美国市场的 特殊性方面都有很大的优势 目前为止提供用于5年期材料研究的经费为2100万美元 其中包括高 温热交换器材料 耐火材料 氢分离薄膜材料等 4耐热材料的发展4 1低合金 1 3 Cr 钢低合金钢在火电厂锅炉中作为压力部件得到了大量应用 特别是过热器 再热器的低温区域以及水冷壁 在联箱和管道中应 用也比较普遍 其关键的性能要求包括450 以下良好的抗拉强度 120MPa 550 以下的持久强度 无需焊后热处理的优异焊接性能 良好的蒸汽 氧化性能 通过堆焊或喷涂获得优异的抗烟气腐蚀性能 长期以来这类钢中的主力钢种包括锅炉材料P 11 P22以及12Cr1MoV等和汽轮机材料1CrMoV 表2 随后住友金属开发了T P23 通过在T22基础成分中以W取代部分Mo并 添加Nb V提高蠕变强度 降低了C提高焊接性能 同时加入微中国 海南中国科协xx年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会xx年学 术年会论文集23量B提高淬透性以获得完全的贝氏体组织 与此同时 欧洲开发了T24 P24 其合金化特点是通过V Ti B的多 元微合金化提高蠕变性能 T23在550 的许用应力接近T91 600 的蠕变强度比T22高93 T24 的高温强度还要略高一些 这两种钢具有优异的焊接性能 无需焊后热处理即可将接头硬度控 制在350 360HV10以下 因此适合作为超超临界机组的水冷壁材料 也可取代 10CrMo 910 12Cr1MoV等材料作为亚临界机组的高温管道和联箱 降低壁厚 4 29 12 Cr马氏体钢9 12 Cr马氏体钢是电厂中重要的一类材料 用于锅炉和汽轮机的许 多部件 包括锅炉管 联箱 管道 转子 汽缸等 对于锅炉用9 12 Cr钢 主要的要求包括蠕变强度和运行温度下的组织稳定性 高的AC1温度 良好的焊接性能和低的IV型裂纹敏感性 抗蒸汽氧化 能力 疲劳性能等 图2是锅炉用9 12 Cr钢的发展过程 其中的T P91钢是美国在80年代开发的一种综合性能优异的9 Cr钢 目前在我国的亚临界和超临界机组中得到了广泛的应用 在P91的基础上通过以W取代部分Mo获得了T P92和E911 T P911 两 种新型钢种 在12 Cr钢中通过相同的合金化思想开发了P122 只是为了避免出现 铁素体 其中还加入了1 Cu 这三种钢高温强度比P91都有不同程度的提高 是目前阶段的超超临 界机组 蒸汽温度 620 的联箱和高温蒸汽管道的主要材料 下一代的9 12 Cr马氏体钢是在这三种钢的基础上进一步增加W含量并添加Co 即NF12和SAVE12等 预计可以用到650 在汽轮机的转子 叶片 汽缸和阀体中对这类材料的性能要求包括 低周疲劳性能 蠕变强度 第的应力腐蚀敏感性 铸造性能等等 表2低合金耐热钢的化学成分图29 12 Cr钢的发展普通的12Cr 钢作为565 以下汽机转子锻件具有足 够的持久强度和抗热疲劳性能以及韧性24中国科协xx年学术年会电 力分会场暨中国电机工程学会xx年学术年会论文集中国 海南等 9 12Cr 汽机用钢的合金强化趋势与锅炉钢是类似的 英国的12Cr0 5MoVNbN H46 是发展的基础 美国 五 六十年代在H46的基础上降低Nb含量来降低固溶处理温度和保证 韧性 并减少Cr含量抑制 铁素体得到10 5Cr1MoVNbN GE 以及 GE调整型 同时还在12CrMoV基础上开发含W的12Cr 转子用钢AISI42 2 这些钢与1 0CrMoV相比具有更好的性能 其中GE钢在565 的超 临界机组成功应用了25年 日本在H46基础上添加B开发了10 5Cr1 5MoVNbB TAF 用于燃气轮 机涡轮盘和小型汽机转子 但在运行在595 和650 的超临界和超超临界机组中上述钢种的蠕 变强度尚不足 日本70年代开发了12Cr MoVNb系列593 级别的TR1100 TMK1 和TOS101和12Cr MoVNbWN系列620 级别的TR1150 TMK2 和TOS107 更高合金含量的1 2Cr MoVNbW系列钢TR1200和12Cr MoVNbWCoB系列钢TOS110则用于入口温度高于630 的转子 其中TMK 1和TMK2已被用于日本593 以上的超临界机组 在欧洲也在COST501下开发了9 5Cr MoVNbB COST B 10 5Cr MoVNbWN COST E 和10 2Cr MoVNbN COST F 等一系列转子用钢 这些钢的原型锻件已被用 于理化分析和短时和长时力学性能测试 其中COST F 和COST E 已应用于欧洲的超超临界机组 除了转子用钢 日本还开发了593 使用的汽缸材料9 5Cr1MoVNbN TOS301 以及更高温度使用的9 5Cr0 5Mo2WVNbN TOS302 和9 5Cr 0 5Mo2WVNbNB3 0Co TOS303 欧洲相应地开发了G X12CrMoWVNbN91和G X12CrMoWVNbN1011两种铸钢材料 4 3奥氏体耐热钢奥氏体钢主要用于过热器 再热器 所有奥氏体钢 可以看作是由18Cr8Ni AISI302 基础上发展起来的 分为15Cr 18Cr 20 25Cr 和高Cr 高Ni四类 15Cr 系列奥氏体钢尽管强度很高但抗腐蚀性能差应用较少 目前在普通蒸汽条件下使用的18Cr 钢有TP304H TP321H TP316H和 TP347H 其中TP347H具有最高的强度 通过热处理使其晶粒细化到8 级以上即得到TP347HFG细晶钢 提高了蠕变强度和抗蒸汽氧化能力 对于提高过热器管的稳定性起着重要的作用 在国外许多超超临 界机组中得到了大量应用 在TP304H基础上通过Cu Ni N合金化得到18Cr10NiNbTi Tempaloy A 1 和18Cr9NiCuNbN Super304H 强度得到了提高 经济性很好 20 25Cr 钢和高Cr 高Ni钢抗腐蚀和蒸汽氧化性能很好 但相对于强度来说价格过于昂 贵限制了其使用 但新近开发的20 25Cr 钢具有优异的高温强度和相对低廉的成本 包括25Cr20NiNbN TP310NbN 20Cr25NiMoNbTi NF709 22Cr15NiNbN Tempalo y A 3 和更高强度级别的22 5Cr18 5NiWCuNbN SAVE25 这些钢通过 奥氏体稳定元素N Cu取代Ni来降低成本 4 4Ni基高温合金高温合金早已用于航空领域 在目前的蒸汽发电机 组中仅限用于叶片和紧固件材料 在电力行业只有采用先进的高温度设计才会对这类材料产生兴趣 如果蒸汽参数提高到700 以上 机组的许多部件将只能采用高温合 金 包括定向凝固和单晶合金在内的Ni基合金正在进行评估应用在汽轮 机中 通常认为蒸汽温度700 左右的超临界锅炉设计中将要求联箱和主蒸 汽管道在最高750 下工作 这远远超出了铁素体钢的能力 而奥氏 体钢的热疲劳问题也使得它们用于此厚壁部件不太可能 尽管蠕变强度的要求对Ni基高温合金来说不过分 但其它要求如焊 接性能 成形性能和抗腐蚀性能不容易达到 在美国和欧洲的