我国发电设备用材料的最新研究进展

1、我国发电设备用材料的最新研究进展关键词：我国;发电设备;材料动力工程技术的发展在很大程度上取决于先进耐热材料的进展。从上世纪八十年代起，在日本、欧洲、美国开始了一系列的先进蒸汽循环和超临界蒸汽压力发电技术研究，这些研究项目中耐热材料的开发和应用是最重要部分。采用新的耐热钢，能确保发电机组的蒸汽参数提高到更高参数。因此，世界各国电力机构开展了研究和开发适用于高蒸汽参数下使用的耐热钢的工作。如EPRI，ELSAM、National Power、EPDC和欧洲的COST组织等。通过材料认证工作一方面建立超临界、超超临界发电机组的耐热钢体系，另一方面完善现有的耐热钢体系并研制开发更先进的耐热钢以弥补现

2、有耐热钢的不足。材料认证工作的重点主要在于电站设备用耐热钢，包括电站锅炉和汽轮机用钢。电站锅炉主要集中于锅炉的热交换管，如高温过、再热器和非热交换管，以及高温过、再热器的出口集箱、管道及其附件等。汽轮机主要集中在转子、叶片和螺栓用钢。1.发电设备用耐热材料选型的性能要求 高蒸汽参数的高效率的发电机组对耐热材料提出了更高的性能要求，蒸汽温度的提高不仅对耐热材料的基本性能，如持久强度、持久塑性、断裂韧度提出了更高的要求；而且对使用性能，如抗高温烟气多相介质的热腐蚀性，抗高温蒸汽氧化和氧化物脱落的性能，在调峰和变负荷条件下抗热疲劳和机械载荷疲劳的性能都有更高的要求。不仅如此，蒸汽参数的提高还会增加高

3、温受压部件的壁厚，给厚壁受压部件的生产、制造、焊接、热处理、探伤等提出了新的要求，同时这些厚壁受压部件还会降低机组的启停速率和调峰能力。要实现超高蒸汽参数机组的可靠运行，就必须使用与高蒸汽参数相适应的高性能的耐热材料。因此，耐热材料及其制造工艺技术成为发展先进机组的技术核心，耐热材料的发展水平直接决定了同时期火力发电的技术水平。2.电站锅炉材料的最新研究进展 大型发电机组的电站锅炉热交换受热面（四管过热器、再热器、省煤器、水冷壁）和非热交换管（主蒸汽管道，联箱，管道弯头等）都是工作在复杂服役环境的状态之下，其中，四管特别是水冷壁还处于气液固多相介质复杂服役环境之中。按照惯例，实现620主蒸汽温

4、度之后，应该继续实现650主蒸汽温度；当锅炉的蒸汽参数达到35MPa/700时, 预计发电效率将达到51, 这就要求过热器和再热器管材料在700750时具有较高的持久强度(100MPa/105h)和耐高温腐蚀性能(105h 金属截面厚度损失小于1mm)。同时还要有足够高的蠕变强度和持久塑性，在高温下长期运行中组织稳定性好，良好的工艺性能，抗高温烟气氧化腐蚀和抗高温汽水介质腐蚀性能好等。要完成620和超700超超临界发电技术的进步，必须研究与三种电站锅炉受压部件相关的材料问题，这三种部件是：水冷壁、过热器/再热器和集箱、管道，特别是超700，这三种部件材料具有本质性的变化：水冷壁材料：从600时

5、使用的12Cr1MoV和T12，T22等低合金钢，过渡到620时使用的T23和T24低合金钢，发展到超700时使用的(9Cr12Cr)材料中合金铁素体型耐热钢；过热器/再热器材料：从常规600时使用的Super304H钢和TP347HFG钢以及HR3C发展到620使用的新型的奥氏体耐热钢SAVE25、NF709、Tempaloy AA-1、Tempaloy A-3、XA704，发展到超700使用的具有更高蠕变断裂强度和抗腐蚀、抗氧化性能的镍基高温合金Inconel 740、Inconel 617、Inconel 671、Alloy 263、HR6W等材料。集箱和管道材料：从常规600时使用的P

6、91、P92、P122，过渡到620时使用的P92钢，最终过渡到超700使用的Alloy263、Inconel 625 和Inconel 617等候选材料。表1列示出了美国A-USC机组电站锅炉不同参数下候选材料的选择情况。表1美国A-USC机组电站锅炉不同参数下候选材料锅炉部件名称主蒸汽温度600主蒸汽温度620主蒸汽温度700水冷壁12Cr1MoV、T12T22T12、T23、T24T24、T91、HCM12过热器/再热器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、如果要在目前的超临界和超超临界机组的基础上进一步提高蒸汽参数，超越650直接到达700及以上，高温过热器、再热器（SH/RH）管子要求具有高的蠕变强度，热疲劳强度，高的可焊性，抗烟气侧高温腐蚀和冲蚀，抗蒸汽侧高温氧化和氧化皮剥落的能力。高温过热器、再热器管子在高压下承受很高的应力，且管壁的金属温度（管壁中间截面的温度）比相应蒸汽温度高30以上，当蒸汽

8、温度达到700时，管子烟气侧壁温可能达到750及以上。高温过热器出口集箱和蒸汽管道没有烟气的直接加热，集箱壁面的温度可认为和蒸汽温度相等，但这些集箱的壁厚较厚，而且集箱要开成排的管孔来焊接管接头以连接高温过热器管，不仅如此，锅炉本身存在的热偏差还使集箱承受热疲劳的作用。主蒸汽管道阀门也承受和高温过热器集箱相同的温度和压力，而且阀门结构复杂，应力复杂，壁厚较厚，各种综合应力使其工作条件极其恶化。关于水冷壁管，应该引起注意的有两点：炉膛热负荷将提高水冷壁管的金属壁温，另外一个问题是如何防止水冷壁管产生过度的高温腐蚀。因此除了在使用奥氏体钢的同时从强度和耐蚀性的要求考虑需采用镍基合金，如R25、NI

9、MONIC80A和INCONEL X-750等，甚至于开发新的高温合金。镍基高温合金基体为面心立方的奥氏体，高温强度高，同时由于镍的化学稳定性较高，其抗氧化能力比铁和钴好。由于超超临界使用的700新型耐热材料目前还在实验研究阶段，材料性能数据不足，这些新型耐热材料在国外和国内运行的发电机组上陆续出现了的裂纹开裂、爆破或泄漏等事故。对于这些新型的耐热材料，还缺乏系统而深入的性能评价研究。根据国外研发的经验，超700超超临界锅炉高温部件特性研究我国技术人员正围绕以下几个方面开展：适合于超700超超临界锅炉高温部件选材研究；超700超超临界锅炉水冷壁、过热器、再热器蠕变和氧化特性研究；超700超超临

10、界锅炉高温部件焊接技术研究。3. 汽轮机材料的最新研究进展汽轮机是将工质为水蒸汽的热能转换成机械功的旋转式动力机械。它具有单机功率大、效率高、运转平稳、单位功率制造成本低、使用寿命长等优点。汽轮机是发电用的原动机。在现代化石燃料电站、核电站及联合循环电站中，都采用以汽轮机为原动机的汽轮发电机组。在超临界与超超临界汽轮机的研制进程中，已解决的关键技术主要包括：耐热强度高的高温材料的研究、1米级长叶片的研制、先进的叶片设计技术、先进的叶顶密封和叶根径向汽封片的采用、积木式的结构设计、紧凑结构及双层缸设计、高温部件的强度与寿命及冷却技术、抗固体颗粒侵蚀和抗蚀技术、考虑气流激振的轴系稳定性研究等。目前

11、，我国的汽轮机产品从蒸汽参数、容量、汽轮机热耗水平而言，虽然蒸汽参数不是最高的，但参数和容量已与国外的机组在同一级别，机组的热耗也处于较好的水平。但面对节能减排、低碳经济的发展要求，与其它先进发电技术相比，超超临界的燃煤电厂的热效率还需要进一步提高。与蒸汽参数为16.7MPa/538/538的亚临界火电机组相比，采用538/566蒸汽参数超临界机组可以使CO2的排放量减少10%；采用600/620的超超临界机组可以减少CO2的排放量15%；采用700/720先进的超超临界机组可以使CO2的排放量减少30%。3.1转子材料研究我国亚临界汽轮机高温转子用钢为30Cr1Mo1V。超超临界机组低压转子

12、的前端温度可在400以上，必须使用超纯钢，冶炼时必须精选炉料，进行钢包精炼加真空浇注等冶炼技术。我国已经能够生产大型WCr 12型转子钢锻坯，以及无中心孔转子。焊接转子技术取得很大成绩。我国汽轮机转子材料进展列于表2。表2 汽轮机转子用材的进展构件亚临界汽轮机转子用材料超临界、超超临界汽轮机转子用材料钢号使用温度钢号使用温度高温转子30Cr1Mo1V540/5701Cr10Mo1W1NiVNbN60062020Cr3WMoV550X12CrMoWVNbN10116006202Cr12MoV57010CrMoVNbN600St12TS570TMK1600低压转子30Cr2Ni4MoV350超纯3

13、0Cr2Ni4MoV45026NiCrMoV145350超纯26NiCrMoV145450St565TS3.2 叶片材料研究高温叶片应具有足够的持久强度极限，良好的振动衰减性等性能。以前绝大部分汽轮机叶片材料都采用添加钼、钒的WCr1213型，具有良好的抗过热蒸气或湿蒸气侵蚀能力。为提高性能，加入了Nb、N、W和Co。叶片相对转子截面较小，制造工艺难度小一点，为进一步提高热强性，可适量增加一些Nb、N含量，并将含W量提高至接近2%,同时将含Mo量降至0.5%。如钢中出现过量的铁素体会使钢的强度和塑性明显降低，为此常加入奥氏体形成元素Ni，例如低压长叶片用钢X10CrNi1MoV和1Cr12Ni

14、3Mo2VNb，在提高强度的同时，保持良好的塑性和韧性。但对高温叶片用钢，含Ni量一般小于1，以免降低蠕变极限。值得注意的是多元复合强化后的WCr12钢，强化元素越多，振动衰减性越低，设计时多加考虑。3.3大型铸锻件的生产Ni基材料是一种成熟的材料，但目前应用的镍基材料铸锻件尺寸太小，通常低于10公斤，不能满足大型汽轮机转子、汽缸、阀壳等铸锻件毛坯的要求。因此，研究的重点应集中在镍基材料大型化铸锻件毛坯的制造工艺及性能验证，必须研究新的材料特性以满足在高温下具有足够的强度及700至800时的抗氧化和抗磨蚀。在汽轮机结构设计时，应考虑采用新设计方法，促进镍基合金采用量最少。表3列出了我国汽轮机发

15、展目标可选用的材料类型。表3 我国汽轮机材料发展目标可选用的材料类型年份等级主要零部件高、中压转子高、中压铸件高温叶片和螺栓20102020700Inconel718NiCr20TiAlCCA617Incone1625Inconel718 NiCr15Fe7TiAlNimonic90/105为适应节能减排的形势发展要求，我国应重点研究和开发超超临界参数汽轮机机组的用材方向：（1） Ni基合金材料的应用，使材料适用于火力发电厂部件的大型化、长寿命的要求，集中开展铸、锻件大型化的制造工艺及高温蠕变性能的试验验证。（2）开展Ni基材料的焊接转子的研究，Ni基合金的锻坯制造能力远不能满足汽轮机高、中压转子的重量要求，先进的超超临界汽轮机的高、中压转子必须采用焊接结构。Ni材料、或与铁素体钢之间的焊接转子的设计制造是要解决的重大项目。（3）二次中间再热及更多回热加热器的采用。随着压力、温度的提高，一次再热变成二次再热可提高效率，又是切实可行的技术。同时，应相应增加回热加热器数以提高热效率。（4）汽轮机的结构设计及部件冷却技