超超臨界機組材料國內(nèi)研制及其問題思考

1、超超臨界機組新型鋼國產(chǎn)化研討會超超臨界機組新型鋼國產(chǎn)化研討會超超臨界機組材料超超臨界機組材料國內(nèi)研制及其問題思考國內(nèi)研制及其問題思考上海發(fā)電設備成套設計研究院上海發(fā)電設備成套設計研究院 林富生林富生2009.04.012009.04.01于揚州于揚州超超臨界機組材料超超臨界機組材料國內(nèi)研制及其問題思考國內(nèi)研制及其問題思考一、前言一、前言二、超超臨界機組材料國內(nèi)研制二、超超臨界機組材料國內(nèi)研制三、材料在長期服役過程中的組織三、材料在長期服役過程中的組織 與性能變化與性能變化四、問題思考四、問題思考一、一、 前言前言節(jié)能、減排、降本，要求火電機組提高效率，節(jié)能、減排、降本，要求火電機組提高效率，促

2、進了超臨界、超超臨界機組的發(fā)展；促進了超臨界、超超臨界機組的發(fā)展；“十五十五”期間，我國經(jīng)濟快速發(fā)展和人民生期間，我國經(jīng)濟快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對電力的需求快速增長，活水平的不斷提高，對電力的需求快速增長，以至于造成嚴重缺電，這直接推動了超臨界、以至于造成嚴重缺電，這直接推動了超臨界、超超臨界機組的非常規(guī)快速發(fā)展；超超臨界機組的非常規(guī)快速發(fā)展；由于超臨界、超超臨界機組的快速發(fā)展，關(guān)由于超臨界、超超臨界機組的快速發(fā)展，關(guān)鍵材料主要靠進口且需求量大，國外供貨商鍵材料主要靠進口且需求量大，國外供貨商延長供貨周期，并趁機大幅度提高價格，造延長供貨周期，并趁機大幅度提高價格，造成機組制造成本

3、大幅度提高；成機組制造成本大幅度提高；一、一、 前言前言在這樣的背景下，我國終于有了比較統(tǒng)一的在這樣的背景下，我國終于有了比較統(tǒng)一的認識：超超臨界機組關(guān)鍵材料必須國產(chǎn)化；認識：超超臨界機組關(guān)鍵材料必須國產(chǎn)化；機組參數(shù)的進一步提高，受到材料的制約；機組參數(shù)的進一步提高，受到材料的制約；T/P122T/P122、T/P92T/P92許用應力的降低，使越來越許用應力的降低，使越來越多的人認識到：多的人認識到： 材料是發(fā)展超超臨界機組的關(guān)鍵材料是發(fā)展超超臨界機組的關(guān)鍵二、二、超超臨界機組材料國內(nèi)研制超超臨界機組材料國內(nèi)研制（一）政府立項研制（一）政府立項研制 1.“1.“十五十五”項目：超臨界機組材料

4、和鑄鍛件國產(chǎn)項目：超臨界機組材料和鑄鍛件國產(chǎn)化化 實現(xiàn)實現(xiàn)T91T91鋼管國產(chǎn)完善化鋼管國產(chǎn)完善化 實現(xiàn)葉片螺栓材料實現(xiàn)葉片螺栓材料1Cr11MoNiW1VNbN1Cr11MoNiW1VNbN鋼的國產(chǎn)化鋼的國產(chǎn)化 實現(xiàn)實現(xiàn)ZG1Cr10MoVNbNZG1Cr10MoVNbN鋼汽輪機內(nèi)缸國產(chǎn)化鋼汽輪機內(nèi)缸國產(chǎn)化 國產(chǎn)國產(chǎn)P91P91鋼管試制鋼管試制 低壓轉(zhuǎn)子超純材料研制低壓轉(zhuǎn)子超純材料研制 高（中）壓轉(zhuǎn)子材料研究高（中）壓轉(zhuǎn)子材料研究 Super304H Super304H鋼國產(chǎn)化研究鋼國產(chǎn)化研究二、二、超超臨界機組材料國內(nèi)研制超超臨界機組材料國內(nèi)研制（一）政府立項研制（一）政府立項研制 2.“

5、863”2.“863”計劃：超超臨界機組材料研究計劃：超超臨界機組材料研究 葉片材料葉片材料12CrMoVWCoNbBN12CrMoVWCoNbBN鋼國產(chǎn)化研究鋼國產(chǎn)化研究 低壓超純轉(zhuǎn)子材料研究低壓超純轉(zhuǎn)子材料研究 1212CrCr高（中）壓轉(zhuǎn)子材料研究高（中）壓轉(zhuǎn)子材料研究 Super304HSuper304H鋼國產(chǎn)化研究鋼國產(chǎn)化研究 等等等等二、二、超超臨界機組材料國內(nèi)研制超超臨界機組材料國內(nèi)研制（一）政府立項研制（一）政府立項研制 3.3.上海市重大項目上海市重大項目“電站裝備用特種材料研究與開電站裝備用特種材料研究與開發(fā)發(fā)” 試制成功試制成功1Cr10Mo1W1NiVNbN1Cr10M

6、o1W1NiVNbN鋼電渣重熔轉(zhuǎn)子鋼電渣重熔轉(zhuǎn)子 實現(xiàn)實現(xiàn)ZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbN鋼中壓內(nèi)缸國產(chǎn)化鋼中壓內(nèi)缸國產(chǎn)化 實現(xiàn)實現(xiàn)TP347HTP347H及及TP347HFGTP347HFG鋼管國產(chǎn)化鋼管國產(chǎn)化 實現(xiàn)實現(xiàn)1Cr10NiMoW2VNbN1Cr10NiMoW2VNbN葉片螺栓鋼國產(chǎn)化葉片螺栓鋼國產(chǎn)化 實現(xiàn)發(fā)電機用實現(xiàn)發(fā)電機用1Cr18Mn12Ni2N鋼穿心螺桿國產(chǎn)化鋼穿心螺桿國產(chǎn)化 （ 二）企業(yè)自發(fā)研制二）企業(yè)自發(fā)研制下列部件材料具備國產(chǎn)化能力下列部件材料具備國產(chǎn)化能力部件部件材材 料料末級過熱器、再熱器末級過熱器、再熱器T91T91，T92T92，TP347HFGTP

7、347HFGSuper304H, Super304H, 集箱、蒸汽管道集箱、蒸汽管道P91P91，P92P92高中壓轉(zhuǎn)子高中壓轉(zhuǎn)子1Cr10Mo1W1NiVNbN 1Cr10Mo1W1NiVNbN 1Cr10Mo1VNbN1Cr10Mo1VNbN高中壓內(nèi)缸高中壓內(nèi)缸( (鑄件鑄件) )ZG1Cr10MoVNbN ZG1Cr10MoVNbN ZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbNZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbN高溫段葉片高溫段葉片1Cr11MoNiW1VNbN 1Cr11MoNiW1VNbN 1Cr10NiMoW2VNbN NiCr20TiAl 1Cr10NiMoW2VNbN Ni

8、Cr20TiAl 汽缸螺栓汽缸螺栓1Cr10NiMoW2VNbN, 1Cr10NiMoW2VNbN, 低壓轉(zhuǎn)子低壓轉(zhuǎn)子3.5NiCrMoV, 3.5NiCrMoV, 超純超純3.5NiCrMoV 3.5NiCrMoV 三、材料在長期服役過程中的組織與性能變化三、材料在長期服役過程中的組織與性能變化 人們通過熱處理等工藝手段獲得材料良好人們通過熱處理等工藝手段獲得材料良好的綜合力學性能，滿足使用要求。而處于的綜合力學性能，滿足使用要求。而處于這種狀態(tài)材料的組織是非平衡組織。這種狀態(tài)材料的組織是非平衡組織。 由熱力學可知，非平衡組織始終存在向平由熱力學可知，非平衡組織始終存在向平衡組織轉(zhuǎn)變的趨勢。

9、一旦驅(qū)動力足夠大，衡組織轉(zhuǎn)變的趨勢。一旦驅(qū)動力足夠大，這種轉(zhuǎn)變就會進行。溫度越高，這種驅(qū)動這種轉(zhuǎn)變就會進行。溫度越高，這種驅(qū)動力越大，這種轉(zhuǎn)變越容易進行。力越大，這種轉(zhuǎn)變越容易進行。三、材料在長期服役過程中的組織與性能變化三、材料在長期服役過程中的組織與性能變化 材料在高溫下長期服役，其組織是在慢慢向平材料在高溫下長期服役，其組織是在慢慢向平衡組織演變的，而組織的變化必然導致材料性衡組織演變的，而組織的變化必然導致材料性能的變化。這就是為什么材料在高溫下長期服能的變化。這就是為什么材料在高溫下長期服役過程中性能惡化的原因。役過程中性能惡化的原因。 材料工作者的根本任務是運用各種強化機制，材料工

10、作者的根本任務是運用各種強化機制，研制出滿足使用要求的材料。設法增加材料在研制出滿足使用要求的材料。設法增加材料在使用過程中向平衡組織轉(zhuǎn)變的阻力，延長向平使用過程中向平衡組織轉(zhuǎn)變的阻力，延長向平衡組織轉(zhuǎn)變的過程，保證材料在設計壽命內(nèi)，衡組織轉(zhuǎn)變的過程，保證材料在設計壽命內(nèi)，具有足夠的性能滿足使用要求。具有足夠的性能滿足使用要求。 三、材料在長期服役過程中的組織與性能變化三、材料在長期服役過程中的組織與性能變化位錯密度降低、亞晶長大、基體中固溶元素位錯密度降低、亞晶長大、基體中固溶元素含量下降、第二相粒子粗化、細小顆粒數(shù)量含量下降、第二相粒子粗化、細小顆粒數(shù)量減少，都導致抗蠕變性能下降；減少，都

11、導致抗蠕變性能下降；MXMX和和M23C6M23C6是是9 91212CrCr鋼的主要強化相；鋼的主要強化相；LavesLaves相析出初期起強化作用，但尺寸不穩(wěn)定，相析出初期起強化作用，但尺寸不穩(wěn)定，LavesLaves相的粗化降低蠕變強度；相的粗化降低蠕變強度；三、材料在長期服役過程中的組織與性能變化三、材料在長期服役過程中的組織與性能變化Z Z相的析出伴隨相的析出伴隨MXMX相的溶解，且長大傾向大，相的溶解，且長大傾向大，它的析出與長大明顯降低蠕變強度；它的析出與長大明顯降低蠕變強度；在在9 91212CrCr鋼中加入適量的鋼中加入適量的B B可強化晶界，可強化晶界，穩(wěn)定穩(wěn)定M23C6M

12、23C6，對長期組織的穩(wěn)定有明顯的作，對長期組織的穩(wěn)定有明顯的作用。用。2.3 高溫蒸汽氧化高溫蒸汽氧化 30Cr1Mo1V30Cr1Mo1V鋼轉(zhuǎn)子在蠕變過程中形成的空洞鋼轉(zhuǎn)子在蠕變過程中形成的空洞TP304HTP304H時效后析出的時效后析出的M M2323C C6 6與與相相TP304HTP304H時效后析出的時效后析出的相相國產(chǎn)T92經(jīng)649持久后，92MPa5165h 國產(chǎn)T92經(jīng)649持久后，85MPa12430h 國產(chǎn)ZG1Cr10MoVNbN鑄鋼 566下12439.9h觀察到的Laves相 TP347HTP347H晶界上在晶界上在M M2323C C6 6與與相處形成的蠕變空洞

13、與裂紋相處形成的蠕變空洞與裂紋四、問題思考四、問題思考基礎研究薄弱基礎研究薄弱例如：例如： 對耐熱鋼的強化機理，合金元素的作用，冶對耐熱鋼的強化機理，合金元素的作用，冶煉、熱加工和熱處理工藝對組織性能的影響煉、熱加工和熱處理工藝對組織性能的影響等基礎性研究不夠，試制帶有一定的盲目性。等基礎性研究不夠，試制帶有一定的盲目性。 上世紀上世紀9090年代初，國內(nèi)好幾家廠試制年代初，國內(nèi)好幾家廠試制T91T91鋼管，雖然成分和室溫性能與住友實物相近，鋼管，雖然成分和室溫性能與住友實物相近，但持久性能，特別是持久塑性明顯比住友鋼但持久性能，特別是持久塑性明顯比住友鋼管差，時效后沖擊值的降低幅度明顯大于住

14、管差，時效后沖擊值的降低幅度明顯大于住友鋼管。友鋼管。 住友鐵素體與碳化物分布形貌國產(chǎn)呈鏈狀析出的碳化物四、問題思考四、問題思考2. 2. 缺乏規(guī)劃與研究的連續(xù)性缺乏規(guī)劃與研究的連續(xù)性 “ “六五六五”期間國內(nèi)試制了期間國內(nèi)試制了TP304HTP304H、TP347HTP347H鋼管，并進行了性能研究。課題鋼管，并進行了性能研究。課題結(jié)束后，國產(chǎn)化的工作也停止了。結(jié)束后，國產(chǎn)化的工作也停止了。 “ “十五十五”的課題也面臨這樣的問題。的課題也面臨這樣的問題。四、問題思考四、問題思考3. 3. 長時性能試驗不夠規(guī)范長時性能試驗不夠規(guī)范 高溫長時性能試驗不規(guī)范主要表現(xiàn)在：高溫長時性能試驗不規(guī)范主要

15、表現(xiàn)在： 數(shù)據(jù)不足且不完整；單點試驗時間數(shù)據(jù)不足且不完整；單點試驗時間短；試驗的爐批次不夠等。短；試驗的爐批次不夠等。四、問題思考四、問題思考4. 4. 建立以國家為主導，產(chǎn)學研相結(jié)合的建立以國家為主導，產(chǎn)學研相結(jié)合的發(fā)電設備材料研制體系，以體制機制發(fā)電設備材料研制體系，以體制機制保證長期研發(fā)經(jīng)費的落實、促進產(chǎn)學保證長期研發(fā)經(jīng)費的落實、促進產(chǎn)學研的長期合作。研的長期合作。 發(fā)電設備材料從開發(fā)、研制到正式使用，發(fā)電設備材料從開發(fā)、研制到正式使用，一般需要一般需要10102020年的時間年的時間, , 必須進行長時必須進行長時的高溫性能試驗，研制周期長、耗資大。的高溫性能試驗，研制周期長、耗資大。

16、純市場行為是很難長期堅持的。純市場行為是很難長期堅持的。四、問題思考四、問題思考5. 5. 形成我國自己的超超臨界機組用材體系形成我國自己的超超臨界機組用材體系 發(fā)電設備材料研制周期長，試驗研究費用高，發(fā)電設備材料研制周期長，試驗研究費用高，不能對各廠使用的不同體系的各種材料都進行不能對各廠使用的不同體系的各種材料都進行國產(chǎn)化研制和試驗研究。對用途相同、成分相國產(chǎn)化研制和試驗研究。對用途相同、成分相近的鋼種進行優(yōu)選，形成我國自己的用鋼系列近的鋼種進行優(yōu)選，形成我國自己的用鋼系列是十分必要的。設備制造廠之間的市場競爭不是十分必要的。設備制造廠之間的市場競爭不要放在材料上。要放在材料上。四、問題思考四、問題思考6. 6. 對優(yōu)選的關(guān)鍵材料，集中資源，分工合作，對優(yōu)選的關(guān)鍵材料，集中資源，分工合作，成果共享，盡快實現(xiàn)國產(chǎn)化。成果共享，盡快實現(xiàn)國產(chǎn)化。 產(chǎn)學研之間、冶金企業(yè)之間、重型廠之間應分工產(chǎn)學研之間、冶金企業(yè)之間、重型廠之間應分工合作，聯(lián)合攻關(guān)，成果共享，降低試制成本，實合作，聯(lián)合攻關(guān)，成果共享，降低試制成本，實現(xiàn)互贏。在試制出合格產(chǎn)品的層面上