T91鍋爐管技術開發(fā)-劉正東

超超臨界火電機組用T91鋼管及鍋爐鋼技術劉正東鋼鐵研究總院結構材料研究所2010年3月16日山東萊蕪鋼鐵研究總院CISRI

CISRI目錄發(fā)展超超臨界火電機組的戰(zhàn)略意義超超臨界火電鍋爐鋼管需求T91鍋爐鋼管研制鍋爐鋼研發(fā)理論的發(fā)展天津鋼管廠T91鋼實踐連鑄T91鋼管工業(yè)試制-興澄特鋼鋼鐵研究總院耐熱鋼專業(yè)設備發(fā)展超超臨界火電機組的戰(zhàn)略意義浙江玉環(huán)電廠-中國第一個超超臨界火電機組已于2006年并網(wǎng)年份容量（億千瓦）火電（%）水電（%）核電（%）新能源（%）20003.1972.124.870.6620054.7074.8023.201.900.1420066.2277.8220.071.200.1020077.132977.7320087.9253075.8721.641.151.12202013.4065.023.04.0中國煤產(chǎn)量及火電用煤情況（億噸）2002200320042007年煤產(chǎn)量12.516.617.525.2我國煤儲量6565火電用煤7.08.59.3經(jīng)濟開采量618電煤比重56%51%53%60%中國電源的結構性問題國務院常務會議：國家能源戰(zhàn)略決策“優(yōu)先開發(fā)水電，積極發(fā)展核電，優(yōu)化發(fā)展火電”火電機組參數(shù)與熱效率中國火電機組蒸汽參數(shù)的演變中國火電機組蒸汽參數(shù)的演變中國火電機組煤耗和熱效率中國機組發(fā)達國家USC機組火電機組平均煤耗(g/kWh)~381300~310火電機組平均熱效率（%）~30>40每年多消耗近3億噸煤增加成本消耗能源運輸壓力嚴重污染環(huán)境節(jié)能減排最重要的措施超超臨界機組的戰(zhàn)略意義超超臨界火電鍋爐鋼管需求浙江玉環(huán)電廠-中國第一個超超臨界火電機組已于2006年并網(wǎng)火電機組生產(chǎn)示意圖

CO2排放中國高壓鍋爐管的供需情況年份產(chǎn)量進口量出口量凈進口量表觀消費量200193600714241079160633154233200211772011474829921117562294762003292305156439324215319744550220045791082979866474291512870620200576605530069924442276257104231220068590822508304784420298610620682007892118165155130114350419271592008200920102011單位：噸鍋爐鋼管選材鍋爐鋼管選材序號機組參數(shù)主蒸汽管道再熱管道熱段再熱管道冷段主給水管道MWT(℃)P(MPa)120054013.710CrMo910/P22Φ355.5*5010CrMo910/P22Φ508*16～17.5ST45.8/ⅢSA106CΦ558.8*14.2ST45.8/ⅢΦ355.6*36～40230054018.2P22ID368.3*83.1～95P91Φ448.3*40P22ID635*31～33SA106BΦ802*21ST45.8Φ406.4*55360054018.2P22ID457*103～113P91Φ666.6*63.2P22ID870*43A672B70C132Φ1066.8*20.6SA106BΦ350*51.5460056624.2P91ID419.1*78,ID298.5*58.5P22ID654*136.5P91ID660.4*25.4,914.4*34A672B70C132Φ711.2*33Φ1016*25.4WB36Φ559*54Φ355.6*40560060025P92ID292*71ID406*98P92ID883*41ID629*29A691Gr21/4C122Φ1016*31.75Φ711*22.23WB36Φ355.6*40Φ508*556100060025P92ID38.1*78,ID254*54P92ID265*54.7P91ID749.3*44.45ID20.7*32P92ID510*21.3ID720*29.3P91ID720*38.8A672B70C132Φ1219.2*39Φ863.6*28WB36Φ660*67.5Φ457*60百萬千瓦USC鍋爐鋼管品種分布鍋爐鋼管需求規(guī)格Φ31以下1.5%Φ31～146*3～2065%Φ159～245*10～605%Φ273～711*20～13020%Φ711～1066*20～1308.5%火力發(fā)電設備用鋼管的平均定額約為100t/萬KW(鍋爐90t/萬KW，電廠及四大管道10t/萬KW)，合金比為60%～70%.其中:2010年五大發(fā)電集團目標T91鍋爐鋼管研制浙江玉環(huán)電廠-中國第一個超超臨界火電機組已于2006年并網(wǎng)在工程熱力學中水的臨界點參數(shù)是：22.115MPa和374.15℃，在此參數(shù)之上，水和汽之間沒有明顯的物理界面，稱為超臨界狀態(tài)。在此參數(shù)以上運行的機組稱為超臨界機組。對于超超臨界物理上并沒有明確的點，對超超臨界機組各國的定義沒有統(tǒng)一。國內(nèi)普遍認為當水蒸汽壓力≥27MPa或溫度≥580℃時則可稱為超超臨界機組。亞臨界機組熱效率＜39％，超臨界機組熱效率＜42％，超超臨界機組熱效率根據(jù)具體的蒸汽參數(shù)和其它影響因素不同在40％以上，丹麥的Nordjylland3#和Sk?rb?k3#由于采用兩次再熱和深海水冷卻是效率最高的超超臨界機組，凈效率達到49%（燃氣）或47%（燃煤），我國玉環(huán)電廠（26.25MPa/600℃/600℃）的設計熱效率為45.01％超超臨界概念？高溫高壓腐蝕環(huán)境下長期服役條件下，要求耐熱材料具備：足夠的持久強度組織穩(wěn)定性（基體、析出物、界面）耐蝕性（流動的超超臨界蒸汽、復雜煤灰）可焊接性可加工性

蒸汽25.4MPa，650℃

（650+50）℃3×105小時煤灰鐵素體系奧氏體系耐熱合金鍋爐管鍋爐鋼的服役環(huán)境及對性能的要求使用材料的持久強度不夠，造成爆管的嚴重事故。使用材料的抗蒸汽氧化、耐熱腐蝕性能不夠，氧化皮打壞汽輪機葉片、造成過熱器、再熱器堵塞等事故，造成機組停運。國外公布材料性能數(shù)據(jù)與實際值相比偏高，使機組建成后被迫降低參數(shù)運行，損失巨大。國內(nèi)外超超臨界火電機組使用中暴露出來的材料問題管子內(nèi)壁的氧化皮;剝落的氧化皮造成堵管中國鍋爐鋼代際劃分和現(xiàn)狀蒸汽溫度，℃＜600℃600℃650℃700℃第1代鍋爐鋼第2代鍋爐鋼第3代鍋爐鋼第4代鍋爐鋼第5代鍋爐鋼標志：10萬小時持久強度+抗蝕性能~2010年2010年~火電用鋼及其體系的演變G102-劉榮藻教授劉榮藻教授在上世紀60年代提出了多元復合強化的理論，在60年代末期研制成功G102（12Cr2MoWVTiB），在70年代研制成功G106（10Cr5MoWVTiB）劉榮藻教授的理論和G102的成功，美國V.K.Sikka教授非常崇拜，并且研發(fā)T91獲得成功日本研制成功的T23（HCM2S，CC2199-3，6Cr2W2MoNbVNB）、歐洲研制成功的T24（CC2514，6Cr2Mo1VTiNB）都是G102的改型劉榮藻教授1915-2004DevelopmentOfGrade91MaterialCombustionEngineer(CE)DesignedAndDevelopedGrade91Material

-SubmittedthefirstproposaltotheUS-DOEin1969forthedevelopmentofaSuper9Crmaterialforthesodium-coolednuclearreactorapplication -Approvalwasgrantedtodevelop“hardware”atCEbyearly1975undertheprojectadministrationofORNL(OakRidgeNationalLaboratory) -Establishedthealloycomposition&demonstratedfavorablepropertiesin1976 -MHI&SumitomojoinedinthetestingofGrade91material -Grade91wasnotoptimizedforfossilboilerapplicationsDr.Sikka中國近20年鍋爐鋼研發(fā)1993年,開始T91鋼的仿制研究1997年,開始S30432鋼的仿制研究2005-06年,T122和S304322007-08年,650℃蒸汽參數(shù)預研2007-10年，支撐計劃2008-11年，650℃蒸汽參數(shù)鍋爐管2010-14年，973計劃2009年，提出“多元復合強化+組織退化失穩(wěn)分析+選擇性強化”理論，發(fā)展了“多元復合強化”理論鋼鐵研究總院開展鋼種創(chuàng)新研究

鋼鐵研究總院正在開發(fā)的新鋼種:

G108和G109計劃替代600-620℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機組中批量應用的Super304H和HR3C鋼

G113和G115計劃用于650℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機組鋼鐵研究總院與日本NIMS耐熱鋼研發(fā)團隊在北京合影，2005年許用應力與鍋爐管壁厚T91鋼生產(chǎn)工藝路線國產(chǎn)T91鋼持久蠕變曲線寶鋼、日本、歐洲T91鋼S含量控制水平鍋爐鋼研發(fā)理論的發(fā)展浙江玉環(huán)電廠-中國第一個超超臨界火電機組已于2006年并網(wǎng)先進馬氏體耐熱鋼技術前沿AfterF.Abe，NIMS鍋爐鋼研發(fā)思路之一：持久強度構成固溶強化：大直徑元素W、Mo置換Fe沉淀強化：析出物體積分數(shù)，%粒徑，nm間距，nmOrowan，MPaFe2(W,Mo)1.57041095M23C62.050260150MX0.220320120Orowan應力:σ=0.8MGb/λ;M：Taylor系數(shù)，取3.03.位錯強化：σ=0.5MGbρ∧1/2，回火后位錯密度為1-10×10∧14/平米4.亞界面強化：σ=10Gb/λ，如

λ=300-500nm,b=0.25nm,G=64GPa

亞界面強化值可高達320-530MPaAfterF.Abe，NIMS持久強度構成鍋爐鋼研發(fā)思路之二：組織失穩(wěn)退化600oC100MPa34,141hPAGB晶界附近的組織退化導致長時服役后持久強度的突然下降如何提高晶界附近組織的穩(wěn)定性？基體：T.M.+Delta-F.引自日本NIMS數(shù)據(jù)P92鍋爐鋼研發(fā)思路之三：選擇性強化AfterF.Abe，NIMSAfterF.Abe，NIMSB與N的最佳配比AfterDr.Abe，NIMSMartensiticsteelstrengthenedbyZ-phase12CrsteelZ65012CrVNbNsteelIdea:accelerateZ-phaseformationtosuppressharmfulgrowthAfterJ.Hald焊接問題焊縫金屬韌性遠低于HAZ和熔合區(qū)HAZ蠕變斷裂強度下降異種鋼焊接接頭的早期失效（鐵素體熱強鋼+奧氏體鋼焊接接頭性能與母材不匹配）焊接材料的研究嚴重滯后鋼鐵研究總院專業(yè)設備浙江玉環(huán)電廠-中國第一個超超臨界火電機組已于2006年并網(wǎng)鍋爐鋼測試條件-持久蠕變試驗機鋼鐵研究總院：已建成100臺，正在準備建設200臺寶鋼股份公司：260臺鍋爐鋼測試條件-高溫蒸汽腐蝕主要技術指標：溫度：可達750℃蒸發(fā)量：可達8L/h蒸汽：流動水：特級專用水試樣：片狀或管狀實驗前：抽真空鍋爐鋼測試條件-高溫灰化腐蝕鍋爐鋼測試條件