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1、 超超临界锅炉高端新材料的 研发与监督管理全国锅炉压力容器标准化技术委员会张显张显2016年11月一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料二、锅炉材料的监督管理要求三、新材料的研发到使用的过程3一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料 提高火力发电厂效率 从目前世界火力发电技术水平，以及热力学理论来看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高工作介质(蒸汽)的参数，即提高蒸汽温度和压力。 发展超超临界(USC)火电机组 发展超超临界(USC)火电机组，提高蒸汽参数对提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。随着蒸汽温度和压力的提高，电厂锅炉的效率大幅度提高，供电煤
2、耗大幅度下降。4一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料 卡诺循环卡诺循环卡诺循环是由法国工程师尼古拉莱昂 纳尔萨迪卡诺于1824年提出的，以分析 热机的工作过程。卡诺循环包括四个步骤： 等温膨胀，在这个过程中系统从环境中吸收 热量；绝热膨胀，在这个过程中系统对环境 中作功；等温压缩，在这个过程中系统向环 境中放出热量；绝热压缩，系统恢复原来状 态，在这个过程中系统对环境作负功。 通过热力学相关定理我们可以得出，卡 诺循环的效率c1-2/1，由此可以看 出卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温 度有关，如果高温热源的温度1愈高，低温 热源的温度2愈低，则卡诺循环的效率愈高。
3、因为不能获得1的高温热源，或 2=0（-273）的低温热源，所以，卡诺循 环的效率必定小于1。一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料 朗肯循环朗肯循环 卡诺循环实际上是个理想循环，现实中无法实现，现代火力发电厂在卡诺循环的 基础上，使汽轮机排汽在凝汽器中全部凝结成水，以水泵来代替压缩机而组成蒸 汽动力设备的基本循环即朗肯循环。 火力发电厂中蒸汽动力装置的基本热力循环设备是由蒸汽锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵组 成的。工质在热力设备中不断地进行吸热、膨胀、放热、压缩等四个过程，使热能不断的转 变为机械能，这就是火力发电厂的朗肯循环。它是最简单的火力发电厂的理论循环，是组成 蒸
4、汽动力装置的基本循环。 现代热电厂尽量提高水蒸气的温度，使用过热蒸汽推动汽轮机，正是基于热力学现代热电厂尽量提高水蒸气的温度，使用过热蒸汽推动汽轮机，正是基于热力学 这个道理。因此锅炉向更高参数发展，是提高效率，降低排放的最佳途径。这个道理。因此锅炉向更高参数发展，是提高效率，降低排放的最佳途径。一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料7锅炉参数与效率的关系锅炉参数与效率的关系一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料8我国发电技术的发展路线图我国发电技术的发展路线图一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料超超临界火力发电对材料的需求（
5、材料失效方式） 高温下具有高的强塑性； 高温下高的持久强度； 100MPa, 100000h. 高温下良好的化学性能；抗蒸汽氧化（内壁） 抗煤灰腐蚀（外壁） 现阶段常用材料9一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料常见锅炉参数常见锅炉参数 适用材料选用适用材料选用 国产化国产化 关键材料关键材料 锅炉等级锅炉等级 过热蒸汽过热蒸汽 出口压力出口压力 主汽主汽/ /再热温度再热温度 高温受热面钢管高温受热面钢管 集箱集箱/ /管道管道 超临界超临界 600MW600MW 25.4MPa25.4MPa 543543/569/569 12Cr1MoVG12Cr1MoVG T23T
6、23、T22T22 T91T91、T92T92 TP347HTP347H、TP347HFG TP347HFG 12Cr1MoVG12Cr1MoVG P22P22 P91P91 P92P92 P91P91 T92/P92T92/P92 TP347HFGTP347HFG 25.4 MPa25.4 MPa 571571/569/569 超超临界超超临界 600MW600MW 1000MW1000MW 26.2MPa26.2MPa 605605/603/603 12Cr1MoVG12Cr1MoVG T23T23、T22T22 T91T91、T92T92 TP347HTP347H Super304HSu
7、per304H、TP310CbNTP310CbN 12Cr1MoVG12Cr1MoVG、P22P22 P91P91 P92P92 P91P91 T92/P92T92/P92 Super304HSuper304H TP310CbNTP310CbN 高效高效 超超临界超超临界 1000MW1000MW 3030MPaMPa 605605/603/603 / /62623 3 12Cr1MoVG12Cr1MoVG、T23T23、T22T22 T91T91、T92T92、G G112112 TP347HTP347H Super304HSuper304H、TP310CbNTP310CbN Sanicro
8、25Sanicro25、SP2215SP2215 12Cr1MoVG12Cr1MoVG、P22P22 P91P91、P92P92 G G112112 G G112112 SP2215SP2215 锅炉参数的提高，对材料的高温性能提出了更高的要求，如持久强度、抗氧化性等。需要开发新型材料。锅炉参数的提高，对材料的高温性能提出了更高的要求，如持久强度、抗氧化性等。需要开发新型材料。 10一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料材料应具备以下质量和性能材料应具备以下质量和性能质 性 和 能 量力学性能致密性内部质量外观质量冶金质量工艺性能化学成分、低倍、金相、晶粒度、 非金属夹杂
9、、脱碳层、组织稳定常温拉伸、冲击、硬度、 高温拉伸、持久蠕变、疲劳压扁、冷弯、扩口水压、涡流、漏磁超探、涡流尺寸精度、外观质量化学性能化学性能蒸汽氧化、烟气腐蚀蒸汽氧化、烟气腐蚀11一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料国际标准ISO/CD TS 16528锅炉压力容器 规范和标准取得国际承认的注册 提出了14种失效模式，分为短期失效、长期失效和循环载荷失效3类。失效模式分类失效模式分类说明说明短期失效Short Term Failure非循环性载荷产生的即发失效或瞬间失效：非循环性载荷产生的即发失效或瞬间失效： 1、脆性断裂（Brittle Fracture） 2、延性
10、断裂（Ductile Rupture） 3、过度变形导致的接头泄露（Leakage at joints） 4、裂纹或局部过度变形导致的延性撕裂（crack formation or ductile tearing due to excessive local strains） 5、弹性、塑性或弹-塑性失稳（皱折）（instability（buckling）长期失效Long Term Failure非循环性载荷导致的延迟非循环性载荷导致的延迟失效失效： 1、蠕变断裂（Creep Rupture） 2、蠕变：机械接头处蠕变-过量变形引起的不可接受的载荷传递（Creep） 3、蠕变失稳（Creep
11、instability） 4、冲蚀和腐蚀（Erosion and Corrosion） 5、环境诱发裂纹（Environment Induced Cracking）（应力腐蚀裂纹Stress Corrosion Cracking、氢致裂纹Hydrogen Induced Cracking）循环载荷失效Cyclic Failure1、渐次塑性变形（Progressive plastic deformation） 2、交变塑性（Alternating Plasticity） 3、弹性变形疲劳（中度和高度循环疲劳high-cycle fatigue）或弹-塑性变形疲劳（低循环 疲劳low cycle
12、 fatigue） 4、环境诱发疲劳（腐蚀疲劳断裂Corrosion Fatigue Cracking）12一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料采用合金强化原理（多元或多相复合强化多元或多相复合强化），使材料在 服役条件下延缓失效。通过成分设计、工艺控制，获得预期的组织结构和强化机制，按热力学动 力学模型分析其组织稳定性，进而达到所要求的相关性能组织结构组织结构由成分由成分、冶炼冶炼、加工和热处理控制加工和热处理控制，组织结构组织结构决定了材料的性能决定了材料的性能。13一、超临界锅炉的发展需要新材料一、超临界锅炉的发展需要新材料 G112（钢铁研究总院、宝钢、河北宏润
13、） 名义成分：11Cr-3W-3Co-VNbNB 金相组织：回火马氏体+析出相（ M23C6+Laves+MX ），无铁素体 力学性能：优于T/P92 抗蒸汽氧化：优于T/P92 产品鉴定试验阶段 SP2215（北京科技大学、永兴特钢、武进不锈钢） 名义成分：22Cr-15Ni-3.5Cu-NbN 金相组织：奥氏体+析出相（MX+富Cu+NbCrN+M23C6） 力学性能：优于25Cr-20Ni-Nb-N（HR3C） 抗蒸汽腐蚀：由于18Cr-9Ni-3Cu-0.5Nb-N（Super304H） 产品鉴定试验阶段14一、超临界锅炉的发展需要新材料二、锅炉材料的监督管理要求二、锅炉材料的监督管理
14、要求三、新材料的研发到使用的过程15二、锅炉材料的监督管理要求二、锅炉材料的监督管理要求保证承压设备质量和安全保证承压设备质量和安全 国际惯例 以欧盟举例 PED范畴的所有承压设备均必须强制性的满足基本安全要求，其中第(5)条材料要 求：制造承压设备的材料必须胜任其预期的寿命。制造商必须在其技术文件中， 说明采用某种形式材料规范的要点。1)采用符合欧洲协调标准的材料；2)取得审 核批准的承压设备材料；3)采用进行专门评定的材料，材料的专门评定必须由授 权机构进行。 市场需求 锅炉对材料性能的基本要求：锅炉是在承压状态下工作，有些还要同时承受高温 或腐蚀性介质的作用，工作条件较差。如果在使用过程
15、中发生破坏性事故，将会 造成严重的损失。因此从保证安全的角度看，锅炉材料必须具有一定的基本性能。 高等级锅炉材料的特点：合金元素数量多、含量高；影响组织结构的因素多（冶 金、制管、热处理等）；组织稳定性机理多种多样；长期服役后组织结构发生变 化；组织结构的改变导致长期性能的改变；力学性能和工艺性能要求苛刻；抗蒸 汽氧化和抗烟气腐蚀成为影响材料性能和安全的主要因素。 综合上述因素，超（超）临界锅炉高温材料存在许多不确定的技术难点、质量陷 阱和使用危险性；超（超）临界锅炉高温材料在制造和选用过程中，要严格遵守 相关规则；优质钢管制造商的优质合格的产品进入市场，保证锅炉的质量和安全。16二、锅炉材料
16、的监督管理要求二、锅炉材料的监督管理要求PED欧盟成员国承压设备安全指令欧盟成员国承压设备安全指令 PED是欧盟成员国就承压设备安全问题取得一致而颁布的强制性法规。 定义：承受高于0.5巴的压力设备及组件 PED范畴的所有承压设备均必须强制性的满足基本安全要求范畴的所有承压设备均必须强制性的满足基本安全要求: (1)设计 (2)永久性连接(焊接) (3)无损检测 (4)最终评定 (5)材料：制造承压设备的材料必须胜任其预期的寿命。制造商必须在其技术文件 中，说明采用以下形式之一材料规范的要点：1)采用符合采用符合欧洲协调欧洲协调标准的材料标准的材料；2)取得欧洲取得欧洲审核审核批准的承压设备材料批准的承压设备材料；3)采用进行专门评定的材料采用进行专门评定的材料，材料的专门评定必须由授权
