(武汉锅炉股份有限公司 湖北武汉 430205)
摘 要：从目前我国一次能源结构来看，我国能源仍然以煤炭为主，且根据我国的实际情况，以煤炭为主体的能源结构在相当长的时间内不会改变，因此提高煤电转化效率、发展清洁煤发电技术，以及建设大容量、高参数超超临界机组是实现节能减排目标的关键，也是我国经济社会可持续发展的必然选择。我国已成为世界上拥有超超临界机组最多的国家。毋庸置疑，为了保证我国超超临界机组建设和安全、稳定运行，以及未来超超临界机组的发展，开展超超临界机组用关键材料的研制是十分必要的。本文将重点介绍我国超超临界机组用关键材料的现状及要求，以及宝钢针对这一发展趋势所开展的研制工作。
关键词:超超临界电站；锅炉；高温材料
引言
为了降低煤耗,减少CO2排放量,提高燃煤发电机组的热效率,以满足环境保护的要求,大容量、高参数(压力和温度)超临界、超超临界机组(按主蒸汽出口压力分类,压力大于22.0MPa为超临界压力锅炉;主蒸汽压力在28MPa以上或主汽、再热汽温在580℃以上的机组为超超临界机组)将是我国今后火电机组发展的必然趋势,特别是超超临界机组必将成为火电机组中的主要候选机组。预计在未来10年左右,我国火电机组蒸汽参数可能从目前600℃,26.5MPa提高到630～650℃,30MPa,甚至更高。
1超超临界机组用关键材料
超超临界机组用关键材料主要指电站锅炉受热面部件水冷壁、过热器、再热器用高压锅炉管，以及集箱、主蒸汽管道所用材料。尽管这些部件所处的工作环境不同，但是对钢管的要求是一致的，即钢管要有足够的高温强度、持久强度、塑性、好的抗氧化性能、冲击性能、耐高温蒸汽腐蚀以及耐煤灰磨损等。另外，由于锅炉的主要部件都在锅炉厂制造完成，因此要求高压锅炉管还要具有良好的冷弯变形性能、严格的尺寸公差、内外表面质量、良好的焊接性能和热加工性能。
随着电站锅炉向大容量、高参数超超临界机组发展，对所需用的碳钢及低合金钢系列高压锅炉管也提出了新的要求。如在大容量机组水冷壁制造过程中，要求尽可能地减少焊接接头的数量，这就要求在高压锅炉管的制造过程中，打破了原钢管最大供货长度12m的极限，而需提供21～24m长度的钢管。同时，在锅炉设计中为了使水更好地同钢管内壁接触，加强传热、降低管壁温升，避免膜态沸腾导致的管体超温，而大量采用了内螺纹管，因此宝钢在碳钢及低合金钢系列高压锅炉管研究中，重点研制了超长管及超长内螺纹管产品，主要产品有15CrMo、T22和T91三种钢种制作成的超长管、普通内螺纹和优化内螺纹管。
2超超临界电站锅炉用关键材料研究进展
为了达到节约能源和保护环境的目的，要求新建电厂提高燃烧效率并注重环境保护。美国和欧盟计划共同发展21世纪高热效率燃烧火力发电装置，欧洲决定在2015年建立世界上最先进的37.5MPa/700℃蒸汽参数超级超临界发电机组。
技术研究表明，更高参数的先进燃煤超超临界发电技术主要依赖于耐热材料的突破。如发展620℃蒸汽温度超超临界发电技术需要性能更加优异的SAVE25、NF709、TemplaoyA-3、XA704等新型钢；而700℃及以上的蒸汽温度的先进的燃煤超超临界发电技术则需要新型镍基高温合金材料的突破，因为700℃及以上的蒸汽温度，任何铁素体型耐热钢和新型的奥氏体钢都难以满足金属壁温的要求。
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要完成620℃和超700℃超超临界发电技术的进步，必须研究3种电站锅炉受压部件相关的材料问题，这3种部件是水冷壁、过热器/再热器和集箱、管道，特别是超700℃，这3种部件材料具有本质性的变化。
水冷壁材料：从600℃时使用的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（9-12Cr）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、TempaloyAA-1、TempaloyA-3、XA704，发展到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Inconel740、Inconel617、Inconel671、Alloy263、HR6W等材料。集箱和管道材料：从常规600℃时使用的P91、P92、P122，过渡到620℃时使用的P92钢，最终过渡到超700℃使用的Alloy263、Inconel625和Inconel617等候选材料。
集箱和管道材料：从常规600℃时使用的P91、P92、P122，过渡到620℃时使用的P92钢，最终过渡到超700℃使用的Alloy263、Inconel625和Inconel617等候选材料。
由于超超临界使用的700摄氏度新型耐热材料目前还在实验阶段，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上陆续出现了裂纹开裂、爆破或泄漏等事故。对于这些新型的耐热材料，还需系统而深入的性能评价研究。
3奥氏体钢
由于蒸汽氧化的作用,钢管内壁蒸汽侧和蒸汽之间会形成氧化皮,进而使管壁温度升高。氧化皮的形成,使管壁减薄,增加了热应力。剥落的氧化皮可能对汽轮机产生冲蚀。对工作温度更高的超超临界锅炉,表面氧化皮的形成更快。虽然从抗热疲劳性能和材料成本的角度倾向选择铁素体/马氏体钢,但实际上影响钢使用极限的并非抗蠕变强度,而是抗蒸汽氧化性能。通常含铬2.25%的钢可在580℃使用；9%铬钢,对新蒸汽可用到605℃ ,对再热蒸汽可用到620℃。随着铬含量的增加,钢的抗蒸汽氧化能力增强,奥氏体钢的抗蒸汽氧化性能优于铁素体钢。
HR3C钢是在TP310钢的基础上添加微量铌和氮,显著提高了其在650 ℃的抗蠕变强度。时效过程中,除了析出Cr23C6外,还有细小NbCrN在晶内析出,有效提高钢的强度。SAVE25和HR6W钢等还添加钨进行固溶强化。比如日本Hitachi-Naka热电厂1号机组采用HR3C钢和Super304H钢,材料的高温强度比传统材料310H及304H提高1.5倍。
结束语
（1）考虑到我国超超临界机组进一步发展的需要,钢铁厂将在现有基础上,开展650℃超超临界机组所需关键材料的预研究工作,以提高我国电站锅炉的制造水平和竞争能力,并缩短我国耐热钢研究领域与国外的差距。
（2）考虑到我国电力、锅炉行业,在制造超超临界机组对大口径P系列钢管的迫切需要,宝钢将启动大口径P系列钢管的研制工作。
参考文献:
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[3]王起江,邹凤鸣,张瑞,等.宝钢T91高压锅炉管性能试验与研究[J].宝钢技术,2003,(4):46-50.
论文作者:代敏敏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/27
标签：机组论文; 材料论文; 超临界论文; 蒸汽论文; 锅炉论文; 耐热钢论文; 性能论文; 《电力设备》2017年第23期论文;