2022年超超临界火电厂材料分析研究综述及选材

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1、32 / 11 超超临界火电厂材料研究综述及选材分析周荣灿 范长信 西安热工研究院有限公司，陕西西安 710032 ）摘要： 超超临界火力发电是现阶段技术上最成熟、技术经济性最好的已经实现商业运行的火电技术，在最近数十年将有广阔的应用前景。由于蒸汽温度和压力的提高对关键部件的抗蠕变、疲劳、高温氧化与腐蚀等性能都提出了更苛刻的要求，耐热材料的开发及其应用是发展超超临界发电技术的最重要的基础。本文对国际上各阶段的研究计划及其中的材料研究内容进行了简要介绍。并对超超临界发电机组中各关键部件采用的耐热材料的发展进行了回顾。国内近已有数台超超临界机组开始投入建设，超超临界火电技术在我国有着非常广阔的发展

2、前景。但国内目前机组的建设只能立足于材料的国际采购，对于新型耐热材料还需要进行大量的加工工艺研究和服役特性研究，以保障机组顺利建设和安全可靠运行。本文同时对现阶段超超临界火力发电机组所采用的几种典型新型耐热钢的性能进行了归纳和介绍，并根据机组的不同参数对锅炉部件材料的选择进行了分析和讨论。关键词： 超超临界火电厂；耐热钢；性能；选材1前言火力发电行业目前面临两方面的压力，首先市场竞争的加剧需要降低发电成本，另一方面人们对全球环境问题日益关注，要求电厂降低SOX 、NOx 、CO2的排放，满足严格的环保要求。发展洁净煤发电技术是解决这些问题的关键，就目前以及将来一段时间内，在众多的洁净煤发电技术

3、中超超临界发电技术的继承性和可行性最高，同时具有较高的效率和最低的建设成本。除了上世纪50、 60 年代投运的几台超超临界机组外，从90 年代初到目前为止全世界已经新建超超临界机组超过60 台，其参数还在不断地提高。我国也正积极发展超超临界燃煤发电技术，已经有几座超超临界电厂正在建设之中。2材料技术在超超临界发电中的作用超超临界机组相对超临界机组蒸汽温度和压力参数的提高对电站关键部件材料带来了更高和更新的要求, 尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、冷加工和热加工性能等，因此材料和制造技术成为发展先进机组的技术核心。国际上已经在运营或在设计建设阶段的超超临界机组温度参数大多在566 62

4、0，压力则分为 25MPa 、 27MPa和 30-31MPa三个级别。高的蒸汽参数对电站用钢提出了更苛刻的要求，对锅炉来说具体表现在：高温强度对于主蒸汽管道、过热器/ 再热器管、联箱和水冷壁材料都必须有与高蒸汽参数相适应的高温持久强度。高温腐蚀烟气侧的腐蚀是影响过热器、再热器、水冷壁寿命的一个重要因素，当金属温度提高，烟气腐蚀将大幅度上升，因此超超临界机组中腐蚀问题更加突出。蒸汽侧的氧化运行温度的提高加剧了过热器、再热器甚至包括联箱和管道等蒸汽通流部件的蒸汽侧氧化，这将导致三种后果：氧化层的绝热作用引起金属超温；氧化层的剥落在弯头等处堵塞引起超温爆管以及阀门泄漏；剥落的氧化物颗粒对汽机前级叶

5、片的冲蚀。因此在过精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 11 页33 / 11 热器、再热器等材料选择中应充分考虑到抗蒸汽氧化及氧化层剥落性能。热疲劳性能由于机组启停、变负荷和煤质波动引起的热应力，对于主蒸汽管道、联箱、阀门等厚壁部件，材料的抗热疲劳性能是与高温强度同等重要的指标，应在保证强度的前提下尽可能选择热导率高和热膨胀系数低的铁素体耐热钢。对汽机而言，其中的转子、叶片以及其它旋转部件承受巨大的离心力，运行参数的提高对耐热钢的热强性能提出了更高要求，而汽缸、阀门等由于温度和压力的提高也需要更好的热强性能，高温紧固件需要有

6、更高的拉伸屈服强度和蠕变松弛强度、在蒸汽环境下的抗应力腐蚀能力以及足够的韧性、塑性以避免蠕变裂纹形成。机组的启停、变负荷与煤质的波动要求厚壁部件如转子、缸体、阀门材料有低的热疲劳和蠕变疲劳敏感性。对再热蒸汽温度高于593的低压转子还必须考虑材料在该温度范围内的回火脆性。3国外耐热钢开发计划历史上曾经在50-60 年代投运了几台USC机组，包括美国Philo 6#125MW ，31MPa/621/565 /538 ）、 Eddystone 1#325MW ，34.5MPa， 649/566 /566 ）、英国的 Drakelow 12#375MW ，24MPa/593）、联邦德国H ls 化工厂

7、的自备电厂1 机85MW ，29.4MPa，600/560 /650 ）等。但由于技术和经济原因，美国和德国的机组都只能降低参数运行，如Eddystone 1#大多数时间是在32.4MPa/605的参数下运行，制造和运行中出现的多数的问题都是材料问题，受当时的材料技术水平限制，厚壁部件采用奥氏体耐热钢，奥氏体钢的低导热系数和高热膨胀系数引起高温热应力和疲劳开裂。考虑到建设成本和可用率，后来新建的机组退回到了亚临界参数。直到70 年代中期能源危机的出现及随后的燃料价格攀升才使人们重新考虑高参数发电技术，促成了一系列发展超临界和超超临界发电技术的合作研究计划。由于已充分认识到耐热材料对成功实现高参

8、数机组建造和可靠运行的决定作用，这些研发工程都把耐热材料的研究和应用作为主要内容，其研究结果构成了目前超超临界机组的材料技术基础。目前还在进行新一轮研究计划为今后20-30 年提供发电技术，如欧盟的 Thermie AD700 和 COST536 、美国的Vision 21和日本的New Sunshine 计划等。3.1 欧洲的超超临界机组材料研究3.1.1 COST 501计划欧洲超超临界电站材料的研发主要在COSTCooperation in Science Technology ）计划的支持下完成。1983-1997 年期间进行的COST 501计划主要开发化石燃料电厂部件用先进材料，研

9、究范围非常广，几乎包括了耐热钢、高温合金、ODS合金、陶瓷等各种材料的开发和性能研究。在汽轮机发电技术中，COST 501 计划的目标是建立29.4MPa/600/600和29.4MPa/600/620的机组，其中包括高N 和含硼铁素体钢的开发、联箱及管接头的整体粉末冶金制备等。在COST 501 中由来自欧盟各国的汽轮机和锅炉制造商、钢铁生产企业、电力公司参与研究和开发，并与VGB 、 Brite-Euram、 Marcko、 ECCC等机构和工程紧密结合。整个工程分为三个阶段进行：第一阶段有12 个国家参与，共104 个工程，总经费1500万欧元；第二阶段14 个国家参与，共210 个工程

10、，总经费4800 万欧元；第三阶段集中于开发高效低排放系统所需的材料，共16 个国家参与，有超过200 个工程。在COST 501中开发出了 E911 锅炉管和高温蒸汽管道材料以及COST E 、COST F和 COST B等汽轮机转子材料、G-X12CrMoWVNbN9 1 和 G-X12CrMoWVNbN 10 1 1铸钢等，同时对P91、E911 等材料的加工工精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 11 页34 / 11 艺和性能进行了全面的研究。3.1.2 COST 522计划COST 522 计划是欧洲在先进发电技术

11、领域的一项新的举措，即“21世纪的发电：高效率、低污染的发电厂”，它是在以往的COST计划特别是COST501计划成功的基础上的继续。该计划1998 年 8 月开始，到2003 年结束。其中有16 个欧盟国家的70 个不同机构参与，共有100 多个研究工程。计划开发合适的材料、涂层和表面处理以满足：最高入口蒸汽温度650的蒸汽轮机电厂；燃烧室温度1450、NOx排放小于10ppm的燃气轮机的需要。在蒸汽轮机工程中，将应用铁素体钢建造蒸汽参数为29.4MPa/620/650的超超临界机组，效率达到50左右。同时还将改善寿命预测的方法，建立描述蠕变和低周疲劳行为的材料模型，并改善电厂模拟技术和运行

12、状态的监测。分为锅炉和汽轮机两个子工程，图1 是COST 522蒸汽轮机发电工程组的组织图。表 1 AD700工程的时间表3.1.3Thermie AD700工程欧盟还启动了最新一轮的研发计划Thermie AD700 PF Power Plant兆卡计划先进的 700燃煤电厂），即在今后20 年实现37.5MPa/700参数运行，效率达到55% 的目标，Thermie 计划由 40 多个欧洲公司资助，预计于2018 年完成。其中关键部件将采用Ni 基高温图 1 COST 522蒸汽轮机发电工程组的组织精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第

13、 3 页，共 11 页35 / 11 合金 , 材料研究工作集中于高温长期运行部件的蠕变性能、烟气和蒸汽腐蚀氧化、热疲劳性能和厚壁部件的生产、焊接能力等。例如他们正计划用改良Inconel 61754Ni-22Cr-1.2Co- 9Mo-1Al-0.3Ti） 制 造 用 于 高 温 出 口 部 件 的 锅 炉 大 口 径 管 。 作 为 过 热 器 管 这 种 材 料 的750/105h 持久强度要达到100MPa ，作为其它高温区域用的大口径管道700的强度达到100MPa 。但是制造改良Inconel大口径管的工艺还有待开发。Thermie计划是围绕两个主题进行组织的：更清洁的能源系统包括

14、可再生能源；有助于提高欧盟竞争力的经济高效的能源系统。AD 700 工程共分6 个阶段 表 1）。3.1.4 COST 536计划即“环境友好电厂的关键部件合金的开发”通过前期的COST501和 522 工程开发出了一系列的9-12%Cr 钢，部分已经应用取得了良好的效益，目前最先进的火电机组参数在600-620 ，通过对这类材料进行改进可使蒸汽温度提高到640-650 ，获得2-3%的效率增益，而成本却不明显提高。COST 536与前面两个工程相比，主要从三个层次集中于一些新的技术领域：在纳 M尺度 合金开发和组织稳定性）的计算机辅助合金设计和模拟；在介观尺度力学和氧化性能测试）解决同时获得

15、高的高温强度与抗氧化性能所面临的挑战，通常需要开发涂层材料；在宏观尺度部件制造和测试）解决实际部件与实验室试制材料之间的性能差异，以及常规无损检测技术在新材料应用中的局限性。在该工程之前已经启动了Komet650、Supercoat以及 AD700 等工程。正在执行的AD700面向的是700电厂的材料开发和设计以及示范电厂的建设，需要采用镍基高温合金并导致建设成本的大幅度增加。本工程将支持和补充AD700工程：能用于 640-650 的改良钢种将减少价格贵的多的镍基合金的数量从而降低成本；减少镍基合金的数量还有助于提高机组的运行灵活性。COST 501 和 522 是两个比较成功的工程，COS

16、T536是前两个工程的继续，前二者通过经验和半经验方法进行材料研究，本工程通过借助计算机辅助合金成分设计程序、组织稳定性和特定组织的蠕变性能预测的计算机模拟、实验数据的神经网络分析等一系列理论性更强的方法进行。本工程为期五年，有欧盟14 个国家参与，研究经费约13000 万欧元。除此之外，在欧洲各国还有自己的耐热材料研究工程，如德国的MARKCO 和 VGB158 、英国洁净煤技术工程等。3.2 日本的新材料研究日本的钢铁生产企业如住友金属、NKK 、新日铁、神户制钢和锅炉、汽机制造商如三菱、东芝等都投入了大量的力量开发用于先进的燃煤发电机组用的新型耐热材料，比较成功的有新日铁的NF616T/

17、P92）、住友金属的HCM2S 、HCM12A 、Super304H、 TP347HFG 、HR3C等锅炉部件用钢和TMK1和 TMK2等转子用钢。80 年代初，日本启动了超超临界发电技术的研究计划，由电源开发公司EPDC ）领衔，钢铁、锅炉、汽机制造厂和研究机构参加。由于日本当时已经开发出了一系列的9-12Cr铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢，其蠕变强度和耐腐蚀性能都很好，因此日本对超超临精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 11 页36 / 11 界机组的研究主要集中于这些耐热材料在现场应用中的性能数据和可靠性。第一阶段1981

18、1993 年）的研究内容包括材料基础性实验、593和649下锅炉、汽机的单元实验、高温转子实验和超高温汽轮机运行验证实验等，其目标是开发应用9-12 Cr 铁素体耐热钢的31.4MPa/593/593/593以及应用奥氏体钢的34.3MPa/649/649/649的两次再热机组；第二阶段1994-2000 年）的目标是开发应用铁素体钢的30MPa/630 /630的一次再热机组。表 2 低合金耐热钢的化学成分1997 年起日本国立金属研究所NRIM ）启动了一项用于35MPa/650 参数级别的超超临界机组大口径管道和联箱的高级铁素体耐热钢的研究计划。目前日本还在进行所谓的“新阳光New Su

19、nshine ）”的发电技术研究计划，建立运行温度700的发电机组，该工程由日本电力 即以前的电源开发公司）牵头，得到了日本通产省的大力支持，目前正对所需材料进行研究。3.3 美国的研究计划美国电科院Electrical Power Research Institute，EPRI）早在19781980 年间就开始了一些基础研究，1986 年 EPRI 又组织了包括美国、日本和欧洲锅炉汽机制造厂参与的RP1403 工程，为期八年，对电站锅炉厚截面部件用钢、材料的标准化、现场试用等进行研究。该工程研究结果证实NF616P92 ）和HCM12AP122 ）钢是制造锅炉厚截面部件的合适材料。2000

20、年美国能源部启动了一项“Vision 21 ”计划，为15 以后建立能使用煤、天然气、石油焦、生活垃圾等多种原料且能生产电能、液体燃料、化工品、氢或者生产供热等多种产品的工厂提供技术支持，且要求实现零排放，蒸汽参数达到760，可能的话进一步达到 870。尽管欧洲和日本均将下一步的开发目标定在700，但对美国市场， 700不是最佳的选择，因为在这个温度下，锅炉管烟气侧的腐蚀仍然非常严重。烟气侧的腐蚀与煤的性能密切相关，且对美国某些烟煤特别严重。大量的实验室研究表明液态碱金属硫酸铁引起烟气侧腐蚀的温度与合金有一定关系，对于高耐蚀合金25%Cr ）为600-650，对低耐蚀合金20%Cr ）为650

21、-700。但所有实验室工作都证实在750或以上烟气侧的腐蚀绝大多数都消失了。研究表明最严重的腐蚀出现在600- 675，在 725以上腐蚀大幅度降低。因此对于美国市场新一代的锅炉设计必须是过热器/ 再热器温度超过烟气腐蚀最严重的范围， 760的设计目标看来是比较合适的。这种锅炉设计与其它地方的相比无论从整体上还是满足美国市场的特殊性方面都有很大的优势。目前为止提供用于5 年期材料研究的经费精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 11 页37 / 11 为 2100 万美元，其中包括高温热交换器材料、耐火材料、氢分离薄膜材料等。4

22、耐热材料的发展4.1 低合金 1-3 Cr）钢低合金钢在火电厂锅炉中作为压力部件得到了大量应用，特别是过热器、再热器的低温区域以及水冷壁，在联箱和管道中应用也比较普遍。其关键的性能要求包括：450以下良好的抗拉强度120MPa ）；550以下的持久强度；无需焊后热处理的优异焊接性能；良好的蒸汽氧化性能；通过堆焊或喷涂获得优异的抗烟气腐蚀性能。长期以来这类钢中的主力钢种包括锅炉材料P11、P22 以及 12Cr1MoV等和汽轮机材料1CrMoV 表 2）。随后住友金属开发了T/P23，通过在 T22 基础成分中以W 取代部分Mo并添加 Nb、V提高蠕变强度，降低了C提高焊接性能，同时加入微量B提

23、高淬透性以获得完全的贝氏体组织。与此同时，欧洲开发了T24/P24，其合金化特点是通过V、Ti 、B的多元微合金化提高蠕变性能。T23 在 550的许用应力接近T91，600的蠕变强度比T22 高 93% ，T24 的高温强度还要略高一些。这两种钢具有优异的焊接性能，无需焊后热处理即可将接头硬度控制在 350-360HV10 以下，因此适合作为超超临界机组的水冷壁材料，也可取代10CrMo910、12Cr1MoV等材料作为亚临界机组的高温管道和联箱，降低壁厚。4.2 9-12 Cr 马氏体钢9-12Cr 马氏体钢是电厂中重要的一类材料，用于锅炉和汽轮机的许多部件，包括锅炉管、联箱、管道、转子、

24、汽缸等。对于锅炉用9-12 Cr 钢，主要的要求包括蠕变强度和运行温度下的组织稳定性、高的AC1温度、良好的焊接性能和低的IV 型裂纹敏感性、抗蒸汽氧化能力、疲劳性能等。图2 是锅炉用 9-12 Cr 钢的发展过程。其中的T/P91 钢是美国在80 年代开发的一种综合性能优异的 9%Cr钢，目前在我国的亚临界和超临界机组中得到了广泛的应用。在P91 的基础上通过精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 11 页38 / 11 以 W取代部分Mo获得了 T/P92 和 E911T/P911）两种新型钢种。在12%Cr钢中通过相同的合

25、金化思想开发了P122，只是为了避免出现铁素体，其中还加入了1%Cu 。这三种钢高温强度比 P91都有不同程度的提高，是目前阶段的超超临界机组蒸汽温度 620）的联箱和高温蒸汽管道的主要材料。下一代的9-12 Cr 马氏体钢是在这三种钢的基础上进一步增加W含量并添加Co，即 NF12和 SAVE12等，预计可以用到650。在汽轮机的转子、叶片、汽缸和阀体中对这类材料的性能要求包括：低周疲劳性能、蠕变强度、低的应力腐蚀敏感性、铸造性能等等。普通的 12Cr钢作为 565以下汽机转子锻件具有足够的持久强度和抗热疲劳性能以及韧性等。 9-12Cr 汽 机 用 钢 的 合 金 强 化 趋 势 与 锅

26、炉 钢 是 类 似 的 。 英 国 的12Cr0.5MoVNbNH46 ）是发展的基础。美国五、六十年代在H46的基础上降低Nb含量来降低固溶处理温度和保证韧性，并减少Cr含量抑制 铁素体得到 10.5Cr1MoVNbNGE ）以及 GE调整型，同时还在12CrMoV 基础上开发含 W的12Cr%转子用钢 AISI 422，这些钢与 1.0CrMoV 相比具有更好的性能，其中GE钢在 565的超临界机组成功应用了25年。日本在 H46基础上添加 B开发了 10.5Cr1.5MoVNbBTAF）用于燃气轮机涡轮盘和小型汽机转子。但在运行在595和 650的超临界和超超临界机组中上述钢种的蠕变强度

27、尚不足。日本 70年代开发了 12Cr-MoVNb 系列 593级别的 TR1100 和TOS107，更高合金含量的12Cr-MoVNbW 系列钢 TR1200和12Cr-MoVNbWCoB 系列钢 TOS110则用于入口温度高于630的转子，其中TMK1 和TMK2 已被用于日本 593以上的超临界机组。在欧洲也在 COST 501下开发了 9.5Cr-MoVNbB COST “B”）、 10.5Cr-MoVNbWN COST “ E” ）和10.2Cr-MoVNbN COST “ F” ）等一系列转子用钢，这些钢的原型锻件已被用于理化分析和短时和长时力学性能测试，其中COST “F” 和C

28、OST “E” 已应用于欧洲的超超临界机组。除了转子用钢，日本还开发了593使用的汽缸材料9.5Cr1MoVNbNTOS 301）以及更高温度使用的9.5Cr0.5Mo2WVNbNTOS 302）和 9.5Cr0.5Mo2WVNbNB3.0CoTOS 303）。欧洲相应地开发了G-X12CrMoWVNbN9 1和G-X12CrMoWVNbN 10 1 1两种铸钢材料。4.3 奥氏体耐热钢奥氏体钢主要用于过热器、再热器，所有奥氏体钢可以看作是由18Cr8NiAISI 302）基础上发展起来的，分为15Cr%、 18Cr%、20-25Cr%和高 Cr-高Ni四类。 15Cr% 系列奥氏体钢尽管强度

29、很高但抗腐蚀性能差应用较少。目前在普通蒸汽条件下使用的 18Cr% 钢有 TP304H、TP321H、TP316H和TP347H，其中 TP347H具有最高的强度，通过热处理使其晶粒细化到8级以上即得到 TP347HFG 细晶钢，提高了蠕变强度和抗蒸汽氧化能力，对于提高过热器管的稳定性起着重要的作用，在国外许多超超临界机组中得到了大量应用。在 TP304H基础上通过 Cu、Ni、N合金化得到 18Cr10NiNbTiTempaloy A-1）和 18Cr9NiCuNbNSuper304H ），强度得到了提高，经济性很好。20-25Cr%钢和高 Cr-高Ni钢抗腐蚀和蒸汽氧化性能很好，但相对于强

30、度来说价格过于昂贵限制了其使用。但新近开发的 20-25Cr%钢具有优异的高温强度和相对低廉的成本，包括25Cr20NiNbNTP310NbN ）、 20Cr25NiMoNbTiNF709 ）、 22Cr15NiNbNTempaloy A-3）和更高强度级别的22.5Cr18.5NiWCuNbNSAVE 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 11 页39 / 11 25），这些钢通过奥氏体稳定元素N、Cu取代 Ni来降低成本。4.4 Ni基高温合金高温合金早已用于航空领域，在目前的蒸汽发电机组中仅限用于叶片和紧固件材料。在电力

31、行业只有采用先进的高温度设计才会对这类材料产生兴趣。如果蒸汽参数提高到700以上，机组的许多部件将只能采用高温合金。包括定向凝固和单晶合金在内的Ni基合金正在进行评估应用在汽轮机中。通常认为蒸汽温度700左右的超临界锅炉设计中将要求联箱和主蒸汽管道在最高750下工作，这远远超出了铁素体钢的能力，而奥氏体钢的热疲劳问题也使得它们用于此厚壁部件不太可能。尽管蠕变强度的要求对Ni基高温合金来说不过分，但其它要求如焊接性能、成形性能和抗腐蚀性能不容易达到。在美国和欧洲的最新研发计划中都在对高温合金的工艺性能、力学性能进行评估。5机组关键部件的选材分析在超超临界机组中，关键的部件包括水冷壁、高温过热器/

32、再热器及其出口联箱、主汽和再热汽管道、汽轮机高中压转子、叶片、汽缸等。在前面已经对这些部件材料的性能要求和相应的材料进行了简要的介绍，下面对锅炉部件材料选择进行介绍，因为这些部件选材是否合理对机组的可用率影响最大，在国外目前已投运的超超临界机组中这些部件出现的材料问题相对较多。5.1 水冷壁考虑到膜式水冷壁安装和检修的操作条件，膜式水冷壁制造材料需要采用焊后不需热处理的钢材，受此限制，尽管水冷壁的温度与其它高温部件相比不是太高，由于材料的选择范围非常有限，水冷壁也机组是向高参数过渡的关键部件之一。超 超 临 界 机 组 主 蒸 汽 压 力 和 炉 膛 热 负 荷 的 升 高 会 提 高 水 冷

33、 壁 的 温 度 。 例 如 在32.5MPa/620 的蒸汽参数下出口端的汽水温度达到475左右，投运初期的管壁中央温度为497，垢层增厚后可提高到513左右，热负荷最高区域的管子外壁温度可达到524，最高的瞬时温度可达到539。此时需要合金含量更高、耐热性能更好的材料。图1 是一些水冷壁候选材料的持久强度。丹麦的Konvoj 1&2#机组 29MPa/582/580 /580 ， 1997、1998 年投运）选用了熟悉的 13CrMo44 作为水冷壁材料，该材料焊后不需热处理。按照外径38mm 、壁厚6.3mm 计算其最大允许汽温435，即使增加壁厚也仅为450。 13CrMo44 是当时

34、最好的成熟水冷壁材料，业主当时不愿承担采用未经考验的新钢种的风险。在 T22 基础上开发了两种新钢种HCM2ST23）和 7CrMoVTiB10 10T24）焊接性能都很好，焊后硬度低于360HV10 ，不需要进行焊前预热和焊后热处理，许用金属壁温达到545和 560，是主蒸汽温度620以下锅炉水冷壁的最佳候选材料。对于更高的蒸汽参数，三菱开发的HCM12是一种选择，该钢种也无需焊后热处理但需要焊前预热），而蠕变性能更佳，但高的- 铁素体含量 30% ）使得加工困难，长期性能还需进一步考证。同时三菱还试图在 T23 中添加稀土进一步提高性能。为了降低NOX的排放，现代的锅炉还采用分段燃烧的技术

35、，这对水冷壁是一个严峻的考验，因为考虑到成本和焊接性能，水冷壁材料的合金含量尤其是Cr 含量并不太高，其抗腐蚀能力有限，在炉膛的下部的还原性气氛将会导致严重的水冷壁管减薄1-3mm/年），在精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 11 页40 / 11 使用高硫煤时必须考虑这一点，采用Cr 含量稍高的钢种、表面喷涂处理甚至采用共挤复合管子。5.2汽水分离器直流锅炉的汽水分离器容积较大，在40-100%负荷之间汽水分离器仅仅作为蒸汽流通部件，而在更低的负荷时，水冷壁出口的工质是汽水两相流，汽水分离器将其中的水从饱和蒸汽中分离出来送

36、回锅炉给水，蒸汽送至过热器。在启停过程中汽水分离器经历从湿态到干态运行的转换，承受严重的热疲劳应力。在超超临界机组中主蒸汽压力的提高、水冷壁出口介质温度的升高，对汽水分离器材料的蠕变性能要求也有所提高。可供选择的材料包括P12、P22、 P23、X20CrMoV121以及P91 等，低强度的材料会使壁厚增加，影响启停速率和运行灵活性。但可以增加分离器的数量来减少所需的壁厚。5.3 联箱与管道末级过热器、再热器出口联箱与主蒸汽、再热蒸汽管道位于炉膛外边，不需要考虑烟气腐蚀问题，由于没有烟气加热，可以认为其蒸汽温度即为金属温度。两者对材料的要求基本一致，主要是高温蠕变强度和热疲劳性能、抗蒸汽氧化能

37、力等。不同之处是联箱材料的选择需要考虑到与过热器、再热器和出口连接管之间的焊接问题。联箱与管道的首选材料是铁素体耐热钢，因为低的热膨胀系数和高的热导率可以允许较高的启停速率而不会导致这些部件严重的热疲劳损伤。超超临界机组的蒸汽温度通常高于566，目前采用的联箱和管道用钢主要有P91、P92、P122 和 E911。P91 在国内已经有10 余年的使用经验，在日本P91 钢最高使用温度超过了600，但在欧洲，根据欧洲蠕变合作委员会ECCC ）的建议， P91 的设计许用应力比美国和日本低10% ，认为P91 只能用于25MPa/593或30MPa/580以下的蒸汽参数。建议在我国的机组中使用温度

38、不超过580。P92 和 E911 是在 P91 的基础上添加的1.8%和 1.0%的 W并适当降低Mo ，P122 的 W含量与 P92 相近，但Cr 含量由9% 提高到了12% ，同时添加了1.0%Cu 以抑制 - 铁素体的析出。这三种钢可用于34MPa/620以下的蒸汽参数。在 ASME标准的数据中，P122和 P92 在 600的许用应力要比P91 高 30% 左右， E911 只比 P91 高 10% ，但根据欧洲的最新测试结果表明，P92 和 P122的长期蠕变性能实际并没有那么大的优势。由于 W含量较高， P92 和 P122 在高温下运行的组织稳定性低于P91，脆化倾向较大，高

39、温强度降低明显，而E911 介于其中。 P122由于 Cr 含量高，抗蒸汽氧化能力更好。所有这些钢作为厚壁部件时焊接接头有型断裂的倾向，即在临近母材的HAZ 细晶区发生的蠕变强度低于母材的断裂，在强度设计时必须考虑到这点。对 580的蒸汽温度，P91 可以满足强度要求，且在国内已经有较多的使用和加工经验；对600左右的蒸汽温度，P92 和 E911 有一定优势，如果汽温进一步提高到620左右，建议采用12%Cr的 P122等材料，因为600以上 9%Cr钢的蒸汽氧化性能略显不足。从供货来源上考虑，P92 目前有3 家生产厂， E911 和 P122 各只有一家，对应的焊接材料 P92有 4 家

40、生产厂，其余两种新材料也只有一家。新近开发的NF12 和SAVE12 以及最近Fuijita刚报道的NF12 改良型期望能用于精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 11 页41 / 11 650，但这些材料尚不成熟，缺乏足够的性能数据。欧洲的COST计划也在寻求开发在620以上蠕变强度和抗蒸汽氧化能力更高的12Cr 钢。尽管奥氏体钢有热膨胀系数高、导热性差、价格昂贵等不足，选择奥氏体钢作为联箱、管道材料仍然在人们的考虑当中，因为这些缺点在一定程度上可以通过某些方式得到补偿，或者当温度进一步升高时，这种选择是不得以的事情。首先由

41、于蒸汽管道、联箱的温度对奥氏体钢来说不是太高，可以选择合金含量低一些的钢种，如X3CrNiMoN1713 ，成本可以降低。同时奥氏体钢的高强度可以使壁厚降低从而提高容许温升速率，如600、 30MPa下 P91钢的联箱容许温升速率仅为X3CrNiMoN1713 联箱的一半。除此之外，还可以从采取结构设计措施来避免奥氏体钢的不足，如增加平行的小尺寸的蒸汽通道的数量、设置末级前的中间联箱等都可以减薄壁厚。通过这些措施X3CrNiMoN1713 可以用到35MPa/620或25MPa/650以下的场合。目前已经有4 家德国电站决定大量采用该钢种，其中包括Lippendorf 两台800MW 的机组

42、R、S和 Boxberg 4#机组 10:81-95. 2 R. Viswanathan et al, Materials for Ultrasupercritical Coal Power Plants Turbine Materials ：Part 2 ibid, 96-101. 3 Cleaner Coal Technology Programme technology status report 018: Review of status of advanced materials for power generation. 4 国内外超超临界机组材料及焊接研究资料汇编，西安热工研究院有限公司. _ 作者简介：周荣灿 1971） , 工学博士，主要研究方向为新型电站材料的服役特性。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 11 页