超臨界機組金屬材料

超臨界機組金屬材料第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四一、超臨界機組材料的發(fā)展大力發(fā)展超臨界機組是優(yōu)化我國電源結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標的重要措施之一。技術(shù)瓶頸是鍋爐鋼、葉片鋼、轉(zhuǎn)子鋼等高端耐熱鋼制造技術(shù)。1.材料技術(shù)在超臨界發(fā)電技術(shù)中的作用國際上超超臨界機組溫度參數(shù)多在566℃－620℃間，壓力分為25MPa，27MPa，30.31MPa三個級別。第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四鍋爐鋼高溫強度對于主蒸汽管道、過熱器、再熱器管、聯(lián)箱、水冷壁等材料都必須有高溫持久強度。高溫腐蝕煙氣側(cè)的腐蝕是影響過熱器、再熱器、水冷壁壽命的一個重要因素，當金屬溫度提高，煙氣腐蝕將大幅度上升。蒸汽側(cè)的氧化運行溫度的提高加劇了過熱器、再熱器、聯(lián)箱、管道等蒸汽通流部件的蒸汽側(cè)氧化，導致三種后果。氧化層的絕熱作用引起金屬超溫氧化層的剝落在彎頭等處堵塞引起超溫爆管以及閥門泄漏剝落的氧化物顆粒對汽輪機前級葉片的沖蝕第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四熱疲勞性能由于機組啟停、變負荷和煤質(zhì)波動引起的熱應力，對于主蒸汽管道、聯(lián)箱、閥門等厚壁部件有重要影響。材料的抗熱疲勞性能是與高溫強度同等重要的指標，所以應該在保證強度的前提下盡可能選擇熱導率高的和熱膨脹系數(shù)低的鐵素體耐熱鋼。第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四汽機鋼轉(zhuǎn)子、葉片以及其它旋轉(zhuǎn)部件承受巨大的離心力，運行參數(shù)的提高對耐熱鋼的熱強性能提出了更高的要求，而汽缸、閥門等由于溫度和壓力的提高也需要更好的熱強性能，高溫緊固件需要有更高的拉伸屈服強度和蠕變松弛強度、在蒸汽環(huán)境下的抗應力腐蝕能力以及足夠的韌性、塑性以及避免蠕變裂紋的形成。第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四厚壁部件用鋼機組的啟停、變負荷與煤質(zhì)的波動要求厚壁部件如轉(zhuǎn)子、缸體、閥門材料有低的熱疲勞和蠕變疲勞敏感性。對再熱蒸汽溫度高于593℃的低壓轉(zhuǎn)子還必須考慮材料在該溫度范圍內(nèi)的回火脆性。第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四2.低合金鋼（1-3％Cr）的發(fā)展含鉻大于14％的低碳鉻不銹鋼，含鉻大干27％的任何含碳量的鉻不銹鋼，以及在上述成分基礎上再添加有鉬、鈦、鈮、硅、鋁、、鎢、釩等元素的不銹鋼，化學成分中形成鐵素體的元素占絕對優(yōu)勢，基體組織為鐵素。這類鋼在淬火（固溶）狀態(tài)下的組織為鐵素體，退火及時效狀態(tài)的組織中則可見到少量碳化物及金屬間化合物。屬于這一類的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。鐵素體不銹鋼因為含鉻量高，耐腐蝕性能與抗氧化性能均比較好，但機械性能與工藝性能較差，多用于受力不大的耐酸結(jié)構(gòu)及作抗氧化鋼使用。（鐵素體耐熱鋼，低的熱膨脹系數(shù)和高的熱導率）低合金鋼在火電廠鍋爐中作為壓力部件得到了大量應用，特別是過熱器、再熱器的低溫區(qū)域以及水冷壁，在聯(lián)箱和管道中應用也比較普遍。第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四關(guān)鍵的性能要求包括：1）450℃以下良好的抗拉強度（120MPa）；2）550℃以下的持久強度；3）無需焊后熱處理的優(yōu)異焊接性能；4）良好的蒸汽氧化性能；5）通過堆焊或噴涂獲得優(yōu)異的抗煙氣腐蝕性能。第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四長期以來這類鋼中的主力鋼種包括鍋爐材料P11、P22以及12Cr1MoV等和汽輪機材料1CrMoV。住友金屬開發(fā)了T/P23，通過在T22基礎成分中以W取代部分Mo并添加鈮

Nb、V提高蠕變強度，降低了C提高焊接性能，同時加入微量B提高淬透性以獲得完全的貝氏體組織。歐洲開發(fā)了T24/P24，其合金化特點是通過V、Ti、B的多元微合金化提高蠕變性能。T23在550℃的許用應力接近T91，600℃的蠕變強度比T22高93%，T24的高溫強度還要略高一些。這兩種鋼具有優(yōu)異的焊接性能，無需焊后熱處理即可將接頭硬度控制在350-360HV10以下，因此適合作為超超臨界機組的水冷壁材料，也可取代10CrMo910、12Cr1MoV等材料作為亞臨界機組的高溫管道和聯(lián)箱，降低壁厚。第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四3.馬氏體鋼的發(fā)展9-12％Cr馬氏體鋼是電廠中重要的一類材料，用于鍋爐和汽輪機的許多部件，包括鍋爐管、聯(lián)箱、管道、轉(zhuǎn)子、汽缸等。對于鍋爐用9-12％Cr鋼，主要的要求包括蠕變強度和運行溫度下的組織穩(wěn)定性、高的AC1溫度、良好的焊接性能和低的IV型裂紋敏感性、抗蒸汽氧化能力、疲勞性能等。T91/P91鋼是美國在80年代開發(fā)的一種綜合性能優(yōu)異的9%Cr鋼，目前在我國的亞臨界和超臨界機組中得到了廣泛的應用。在P91的基礎上通過以W取代部分Mo獲得了T/P92和E911（T/P911）兩種新型鋼種。在12%Cr鋼中通過相同的合金化思想開發(fā)了P122，只是為了避免出現(xiàn)δ鐵素體，其中還加入了1%Cu。這三種鋼高溫強度比P91都有不同程度的提高，是目前階段的超超臨界機組（蒸汽溫度<620℃）的聯(lián)箱和高溫蒸汽管道的主要材料。下一代的9-12％Cr馬氏體鋼是在這三種鋼的基礎上進一步增加W含量并添加Co，即NF12和SAVE12等，預計可以用到650℃。第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四在汽輪機的轉(zhuǎn)子、葉片、汽缸和閥體中對這類材料的性能要求包括：低周疲勞性能、蠕變強度、第的應力腐蝕敏感性、鑄造性能等等。普通的12Cr％鋼作為565℃以下汽機轉(zhuǎn)子鍛件具有足夠的持久強度和抗熱疲勞性能以及韌性等。9-12Cr％汽機用鋼的合金強化趨勢與鍋爐鋼是類似的。第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四英國的12Cr0.5MoVNbN（H46）是發(fā)展的基礎。美國五、六十年代在H46的基礎上降低Nb含量來降低固溶處理溫度和保證韌性，并減少Cr含量抑制δ－鐵素體得到10.5Cr1MoVNbN（GE）以及GE調(diào)整型，同時還在12CrMoV基礎上開發(fā)含W的12Cr%轉(zhuǎn)子用鋼AISI422，這些鋼與1.0CrMoV相比具有更好的性能，其中GE鋼在565℃的超臨界機組成功應用了25年。日本在H46基礎上添加B開發(fā)了10.5Cr1.5MoVNbB（TAF）用于燃氣輪機渦輪盤和小型汽機轉(zhuǎn)子。但在運行在595℃和650℃的超臨界和超超臨界機組中上述鋼種的蠕變強度尚不足。日本70年代開發(fā)了12Cr-MoVNb系列593℃級別的TR1100（TMK1）和TOS101和12Cr-MoVNbWN系列620℃級別的TR1150(TMK2)和TOS107，更高合金含量的12Cr-MoVNbW系列鋼TR1200和12Cr-MoVNbWCoB系列鋼TOS110則用于入口溫度高于630℃的轉(zhuǎn)子，其中TMK1和TMK2已被用于日本593℃以上的超臨界機組。第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四在歐洲也在COST501下開發(fā)了9.5Cr-MoVNbB（COST“B”）、10.5Cr-MoVNbWN（COST“E”）和10.2Cr-MoVNbN（COST“F”）等一系列轉(zhuǎn)子用鋼，這些鋼的原型鍛件已被用于理化分析和短時和長時力學性能測試，其中COST“F”和COST“E”已應用于歐洲的超超臨界機組。除了轉(zhuǎn)子用鋼，日本還開發(fā)了593℃使用的汽缸材料9.5Cr1MoVNbN（TOS301）以及更高溫度使用的9.5Cr0.5Mo2WVNbN（TOS302）和9.5Cr0.5Mo2WVNbNB3.0Co（TOS303）。歐洲相應地開發(fā)了G-X12CrMoWVNbN91和G-X12CrMoWVNbN1011兩種鑄鋼材料。第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四4.奧氏體鋼的發(fā)展奧氏體鋼（熱膨脹系數(shù)高、導熱性能差、價格高）主要用于過熱器、再熱器。所有奧氏體鋼可以看作是由18Cr8Ni（AISI302）基礎上發(fā)展起來的，分為15Cr%、18Cr%、20-25Cr%和高Cr-高Ni四類。15Cr%系列奧氏體鋼盡管強度很高但抗腐蝕性能差應用較少。目前在普通蒸汽條件下使用的18Cr%鋼有TP304H、TP321H、TP316H和TP347H，其中TP347H具有最高的強度，通過熱處理使其晶粒細化到8級以上即得到TP347HFG細晶鋼，提高了蠕變強度和抗蒸汽氧化能力，對于提高過熱器管的穩(wěn)定性起著重要的作用，在國外許多超超臨界機組中得到了大量應用。第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四在TP304H基礎上通過Cu、Ni、N合金化得到18Cr10NiNbTi（TempaloyA-1）和18Cr9NiCuNbN（Super304H），強度得到了提高，經(jīng)濟性很好。20-25Cr%鋼和高Cr-高Ni鋼抗腐蝕和蒸汽氧化性能很好，但相對于強度來說價格過于昂貴限制了其使用。但新近開發(fā)的20-25Cr%鋼具有優(yōu)異的高溫強度和相對低廉的成本，包括25Cr20NiNbN（TP310NbN）、20Cr25NiMoNbTi（NF709）、22Cr15NiNbN（TempaloyA-3）和更高強度級別的22.5Cr18.5NiWCuNbN（SAVE25），這些鋼通過奧氏體穩(wěn)定元素N、Cu取代Ni來降低成本。第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四5.Ni鎳基高溫合金的發(fā)展高溫合金早已用于航空領域，在目前的蒸汽發(fā)電機組中僅限用于葉片和緊固件材料。在電力行業(yè)只有采用先進的高溫度設計才會對這類材料產(chǎn)生興趣。如果蒸汽參數(shù)提高到700℃以上，機組的許多部件將只能采用高溫合金。包括定向凝固和單晶合金在內(nèi)的Ni基合金正在進行評估應用在汽輪機中。通常認為蒸汽溫度700℃左右的超臨界鍋爐設計中將要求聯(lián)箱和主蒸汽管道在最高750℃下工作，這遠遠超出了鐵素體鋼的能力，而奧氏體鋼的熱疲勞問題也使得它們用于此厚壁部件不太可能。盡管蠕變強度的要求對Ni基高溫合金來說不過分，但其它要求如焊接性能、成形性能和抗腐蝕性能不容易達到。在美國和歐洲的最新研發(fā)計劃中都在對高溫合金的工藝性能、力學性能進行評估。第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四二、國內(nèi)的材料技術(shù)基礎國內(nèi)近幾年開始研究超超臨界機組的相關(guān)技術(shù)，并有數(shù)臺機組開始投入建設，由于煤電將在很長時間內(nèi)在我國占主導地位，超超臨界火電技術(shù)在我國有著非常廣闊發(fā)展前景。然而近幾十年來國內(nèi)的電站新材料開發(fā)幾乎處于完全停滯狀態(tài)，目前超臨界和超超臨界機組甚至包括部分亞臨界機組的關(guān)鍵材料或部件幾乎完全依賴進口，這種狀態(tài)在短期內(nèi)還無法改變；從國外購買先進材料是發(fā)展超超臨界技術(shù)的最現(xiàn)實的途徑。另一方面，國內(nèi)對于現(xiàn)階段超超臨界機組所需各種新材料的加工工藝和服役特性研究也剛起步，缺乏足夠的材料加工和使用經(jīng)驗，為了保證機組的順利建設和將來長期安全可靠的運行還需要進行大量工作。第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四國外發(fā)達國家對于先進的發(fā)電技術(shù)所需的材料均有相應的研究戰(zhàn)略，對電站材料的蠕變、疲勞等長時性能研究也有長期規(guī)劃，并建立了數(shù)據(jù)共享平臺，積累了大量的材料性能數(shù)據(jù)，如在歐洲蠕變合作委員會(ECCC)和日本材料所的數(shù)據(jù)共享平臺，多數(shù)常用材料的持久強度試驗時間超過了10萬小時，最長的數(shù)據(jù)達到了20-30年。這些數(shù)據(jù)對于機組的合理設計和安全可靠運行提供了堅實的材料技術(shù)支持。而國內(nèi)還沒有相應的機構(gòu)，各單位間數(shù)據(jù)的共享性差，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量也都沒有保證，甚至常用的電站材料的長期數(shù)據(jù)也嚴重缺乏，對于機組部件的狀態(tài)和壽命評估帶來很大的困難，影響了機組安全可靠運行。第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四三、國外超臨界機組材料問題

20世紀50年代末和60年代初，在美國、英國、聯(lián)邦德國都投運了超超臨界機組。限于當時的材料技術(shù)，這些機組采用了大量傳統(tǒng)的奧氏體鋼，在運行中出現(xiàn)了許多材料方面的問題。美國雖在60～70年代，超臨界機組有較快發(fā)展，但由于運行中出現(xiàn)的問題和技術(shù)、經(jīng)濟方面的原因，其后回到了亞臨界機組。第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四超臨界鍋爐水冷壁管開裂（向火側(cè)產(chǎn)生多重裂紋）。該問題在美國超臨界鍋爐比較廣泛，需要清除金屬表面的結(jié)垢后才能發(fā)現(xiàn)，一般產(chǎn)生在高吸熱區(qū)（燃燒器的上方）。產(chǎn)生原因：管內(nèi)部結(jié)垢、結(jié)焦、管壁表面腐蝕、調(diào)峰、負荷變化影響。解決方法：設計中采用比較高的單位流量；使用加氧化學水處理減少內(nèi)部結(jié)垢的程度；運行方面的改進，例如減少高負荷中的吹灰次數(shù)；減少啟停次數(shù)；在向火側(cè)進行表面處理，如表面焊、鑲鉻/鎳。第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四T91/P91的問題爆管原因：焊后處理不當，熱收縮開裂、應力腐蝕或氫腐蝕組裝過程中使用較大的冷應力，設計上焊口位于高局部應力區(qū)。水冷壁高溫腐蝕低NOx要求分級燃燒，導致局部還原性氣氛，硫化氫、一氧化碳和管壁溫度都會影響高溫腐蝕。美國實際調(diào)查得出：亞臨界水冷壁管0.5mm/a，超臨界2mm/a。措施：燃燒優(yōu)化，表面處理，如金屬噴涂、鑲鉻等。第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四過熱器出口聯(lián)箱美國早期超臨界鍋爐的過熱器出口聯(lián)箱許多都經(jīng)過更換。因為P22是原設計材料，由于溫度和壓力的要求，聯(lián)箱壁厚比較大。較大的聯(lián)箱厚度會引起較高的熱應力。措施：大幅度增加孔與孔間距，比原來設計增加三倍。增加過熱器柔度，減低過熱器與聯(lián)箱接口的應力。改變過熱器管與聯(lián)箱接口的焊接設計，徹底解決原設計開裂的問題。其它可靠性問題再熱蒸汽管爆管、大面積水冷壁管腐蝕疲乏等。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四四、超臨界機組用鋼國家戰(zhàn)略計劃1.日本1981-1997第一階段目標是566℃，第二階段目標593℃1997-2007日本超級鋼計劃650℃鐵素體耐熱鋼計劃21世紀陽光計劃：34.3MPa/650℃2.歐洲COST(CooperationinScience&Technology)計劃，COST501（1983～1997）目標是300bar/600℃/620℃，COST522（1998～2003）目標是300bar/620℃/650℃，COST536（2004～2009）目標是35MPa/650℃；1998年還啟動了為期17年的Thermie計劃，37.5MPa/700℃。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四3.美國1986-1992，2001-2010年，CCT計劃，38.5MPa/760℃/760℃1992-1999,Combustion2000計劃1999年啟動了Vision21計劃，在Vision21計劃中增加了開發(fā)38.5MPa，760℃/760℃/760℃的超超臨界機組項目。4.韓國2003至今，620℃鐵素體耐熱鋼研究計劃5.中國25.4MPa/600℃，無國家計劃。第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四五、超超臨界機組選材分析水冷壁當鍋爐在32MPa62℃/下運行時,中間水冷壁墻的最高溫度能達500～525℃,這意味著標準低合金鐵素體鋼如T11的抗蠕變能力是不夠的?只有T91才合適,但是需要焊后熱處理,這一點在現(xiàn)場比較難?兩種由SUMITOMO和MHI開發(fā)的含Cr2.5%和12%的鋼種能適應這個條件而且不需要焊前和焊后熱處理?這兩種鋼有著和T91一樣的蠕變強度,特別是2.5%Cr鋼更適用這種場合,這種鋼已經(jīng)被ASME采用并命名為T23?汽水分離器直流鍋爐汽水分離器容積較大，在40％－100％負荷間汽水分離器僅僅作為蒸汽流通部件，在低負荷時候承受嚴重的熱疲勞應力?？晒┻x擇的材料包括P12、P22、P23和P91等。低強度的材料厚度會增加，影響啟停速率和運行靈活性。但是可以增加分離器的數(shù)量來減少所需的壁厚。第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四聯(lián)箱與管道末級過熱器、再熱器出口聯(lián)箱與主蒸汽、再熱蒸汽管道位于爐膛外邊，不需要考慮煙氣腐蝕的問題，由于沒有煙氣加熱，可以認為蒸汽溫度即為金屬溫度。主要是高溫蠕變強度和熱疲勞性能、抗蒸汽氧化能力等，聯(lián)箱需要考慮焊接問題。聯(lián)箱和管道首選材料是鐵素體耐熱鋼，因為低的熱膨脹系數(shù)和高的熱導率可以允許較高的啟停速率而不會導致嚴重的熱疲勞損傷。超超臨界機組蒸汽溫度往往高于566℃，主要用鋼有P91、P92、P122和E911。過熱器與再熱器在鍋爐中服役條件最差，需要同時滿足蠕變強度、煙氣側(cè)抗腐蝕和飛灰沖蝕性能、蒸汽側(cè)抗氧化性能等。同時要求較好的加工性能和經(jīng)濟性。常采用奧氏體耐熱鋼和奧氏體不銹鋼。如TP304H等。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四高中壓轉(zhuǎn)子蒸汽溫度在566℃以下，超臨界機組的高溫轉(zhuǎn)子材料可采用傳統(tǒng)的CrMoV鋼，也可采用不同強化元素強化的12Cr轉(zhuǎn)子鋼。對于超臨界高壓和中壓汽輪機轉(zhuǎn)子，國外大量使用低合金CrMoV鋼，但是冶煉難度大，轉(zhuǎn)子軸徑和推力盤表面容易發(fā)生粘著和拉毛，需焊低合金鋼層，價格比較貴。噴嘴和葉片高溫葉片用鋼，國外大都使用2Cr12NiMo1W1V鋼，部分噴嘴采用耐熱合金R－26材料。末級葉片用鋼與亞臨界機組相同。第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四高溫螺栓國外多使用2Cr12NiMo1W1V鋼和耐熱合金R－26（應力腐蝕）高中壓汽缸、閥門國外使用15Cr2Mo1鋼或12Cr1Mo1V鋼。主蒸汽管道采用HCM2S和P91。第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期四主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道對于大容量超超臨界機組的主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道，將比超臨界機組面臨更高壓力和更高溫度的考驗。首先，管道材料的高溫蠕變強度必須滿足由于管道熱膨脹而引起的熱應力的要求。一般來說，適合于作為高溫蒸汽管道的材料，其在工作溫度下的10h蠕變應力值應達到90-100MPa。同時，還要求管道材料的熱膨脹系數(shù)比較小且導熱率較大，從而能夠降低管道