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超(超)临界火电机组锅炉材料的发展

广东省电力话 ,510600

[摘要］材料技术是超超)临界机组发展的关键问题。我国要发展超临界及超超临界机组，必须了解国外在超临 界及超超临界机组锅炉用钢的发展过程。根据国外的经验，开发新型铁素体耐热钢和奥氏体不锈钢对超超）临界锅 炉的材料将起到重要的作用。 [关键词1超临界超超临界 早锅炉材料

提高蒸汽参数与发展大容量机组相结合是提高 常规火电厂效率及降低单位容量造价最有效的途 径。通常，当汽机进口蒸汽参数超过水临界状态点 的参数，即压力为22115MPa，温度37415°C，统称 为超临界机组。超超临界参数实际上是在超临界参 数的基础上，提高至更高压力和温度。超(超）临界 机组的关键技术是多方面的，在设计和制造上都有 高难技术，但热强性高、工艺性好、价格低廉材料的 开发则是最关键的问题。本文根据国内、外收集 的一些文献和资料，对超临界及超超临界机组锅炉 用钢的发展作一简单的阐述

各国在机组设计和材料研究方面的

美国是发展超临界发电技术最早的国家。从 20世纪60年代中期起，美国新建机组容量中有 半以上是超临界机组，而且在20世纪50年代初就 开始研究超超临界发电技术。在1957年和1958年 各投运1台超超临界机组。由于这些机组蒸汽参数

收稿日期： 作者简介：胡

选择过高，超越了当时的金属材料技术水平，用钢方 面直接搬用航空、燃机材料，使用了大量奥氏体钢 运行中出现了很多问题。如锅炉中奥氏体钢17 14CuMo过热器管高温腐蚀严重，316H奥氏体钢管 因小弯头支管、屏管、连接管上出现裂纹和焊接不良 等原因损坏或爆管，所以不得不降参数运行。为了 提高机组可用率，美国以后发展的超临界机组多采 用241MPa，主汽温度538°C，一次再热汽温多为 538°C，二次再热为552C/566°℃，这种蒸汽参数保 持了20余年。80年代，美国橡树岭国家实验室 (ORNL）和燃烧工程公司（CE）联合研制的T91 P91，在电站锅炉用钢上具有重要的意义，国内，外已 广泛采用，我国从80年代后期大量引进。 前苏联在发展超临界机组方面态度非常坚决 也是当时拥有超临界机组最多的国家。1949年投 运了第1台超超临界试验机组，但是同样也存在着 材料的问题。而且前苏联发展超临界技术主要依靠 本国力量，不能吸收别国先进技术，因此总体技术水 平不高。我国从俄罗斯引进的10台超临界机组都属

表1超临界和超超临界锅炉常用耐热钢

火电机组用钢主要分为2大类：铁素体钢（包括 珠光体、贝氏体和马氏体及其双相钢）和奥氏体钢。 奥氏体比铁素体钢具有高的热强性，但热膨胀系数 大、导热性小，抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳 和低周疲劳性能(特别是厚壁件）比不上铁素体钢 而且成本高得多。

折型铁素体耐热钢发展的

在发展过程中，不光含铬量随蒸汽参数的提高 而增加，其他合金元素的配比也有所改进，合金元素 的添加遵循的是多元微合金化的原则，同时降低C SP等元素的含量。600°C下10h的蠕变强度从 60MPa提高到180MPa,金属最高使用温度也从 565°C提高到650°℃

1.2各阶段的主要钢种

第1阶段发展的主要钢种有9%Cr的BM12 BM12是50年代末由比利时研制出来的，当时称为 超级9Cr钢，后来由法国生产出这种材料的过热器 管，但由于该钢种是二元结构，冲击韧性差，没有得 到广泛应用。另外还有德国研制的F12，就是HT91 使用温度为630~650°℃.但因其含碳量高.焊接性

表3奥氏体耐热钢成分

比较差，此外还有瑞典研制的HT9（F11）。 第2阶段的代表钢种有2%Cr的HCM2S.就是 T23钢，而最重要的则是T91/P91钢。该钢种由美 国橡树岭国家实验室和燃烧工程公司联合研制，从 技术和经济角度分析，这种钢与法国的EM12钢相 比，钼含量减少1/2.锯和钒也低，而且性能比 EM12钢和F12钢都要优越。80年代末，法国和德 国都分别从自己研制的EM12钢和F12钢转向了 T91/P91钢，并进一步发展了其相应的焊接材料。 第3阶段以部分W代替Mo.钨和钼都是固溶 体增强剂，但两者复合添加比单个效果更好。在 T91钢的基础上加钨减钼，就成了NF616钢（T92）， 这种钢具有更高的许用应力，蒸汽运行温度可达到 620°C。E911钢是一种欧洲用的合金钢，化学组成 相似于NF616，性能也相似。12%Cr钢方面，是 HCM12A（T122），它的基础是德国的F12钢，以钨代 替部分钼，还添加了1%的铜，600°C和650°C的许 用应力分别比F12钢提高了110%和170%，具有更 高的热强性和耐蚀性：因为含碳量减少，其焊接性有 较大改善，另外其含铬量比较高，抗氧化和耐腐蚀性 较好。若蒸汽参数不是太高，可部分替代奥氏体管 材，用于超临界锅炉的过热器和再热器。 第4阶段的研究还在进行中，通过增加W并加 入Co。Co的熔点很高，高温下的稳定性很好，它的 加入使蠕变断裂强度上了一个等级，但具体作用机 理还有待研究。对应的NF12和SAVE12这两种钢 也仍处在试验阶段未投入实际应用

2.2奥氏体耐热钢的进展

在超（超）临界锅炉中，过热器和再热器后部管 子的温度是很高的，蒸汽侧抗氧化和烟气侧抗腐蚀 能力是材料选择的重要因素，尤其是蒸汽侧的氧化 和氧化皮的脱落会导致汽轮机的严重侵蚀，直接影 响到机组的高效安全运行。因此，奥氏体钢是过热 器和再热器后部管子的主要候选材料。

在传统的耐热不锈钢TP304、TP347等基础上， 奥氏体耐热钢的改进主要体现在以下3个方面： （1）提高Cr含量，添加合金元素。表3列出了 一些制造过热器和再热器的奥氏体钢的成分，根据 含Cr量不同分为4类：15Cr18Cr20～25Cr和高C 不锈钢。一般说来，含Cr量越高，钢材的许用温度 越高。另外，TiNbN、W和Cu等合金元素的加入 产生强化作用，有助于提高钢材的抗蠕变强度和许 用应力。 (2）细化晶粒。实践证明，奥氏体钢晶粒细化 可以明显提高其许用应力。如表4所示，TP347H型 不锈钢经细化晶粒后(即TP347HFG)许用应力提高 了近20%。而SUPER304H由于细晶粒结构和细铜 相的沉淀强化作用，许用应力比TP304H提高了近1 倍，在高温下具有优良的机械性能、抗蒸汽氧化和耐 热腐蚀性能，可以在650°以下长期运行。

表44种奥氏体钢许用应力比较 MP

(3）表面处理。适当的表面处理不失为改善合 金表面抗氧化和耐腐蚀性能的好方法。通常对奥氏 体不锈钢管内表面进行喷丸处理，经喷丸后，不仅可 以使表层晶粒解体，组织得到细化××35kv架空线路施工方案技术标，而且促进钢材中 的Cr元素向外扩散，在表面形成CrO薄层，这层 氧化膜的致密性比原来的FeO要好的多，因此可 以提高奥氏体不锈钢管抗高温蒸汽氧化的能力。 另外，对于含Cr量比较低的材料，还可以采用 渗铬处理的方法提高合金表面Cr含量。存在严重 腐蚀的情况下，则推荐采取N72合金（44%Cr)包覆 层

超（超）临界机组锅炉用钢的发展

在材料工业发展的支持下，超临界机组正朝着 更高参数的超超临界技术方向发展。根据英国贸工 部对超临界蒸汽发电的预测：今后5年内，超临界机 组蒸汽温度将达到620°C。到2020年，蒸汽温度将 达到650～700°℃，循环效率可达到50～55%。日 本、美国及欧洲正在开发适用于蒸汽参数为343 MPa/650°C以及40MPa/700°C的新钢种系列。其 中欧共体的”700°G计划"将在关键部件采用镍基高 温合金[2。 目前在我国，发展超（超）临界机组已成为必然 趋势。2004年，中国华能集团投运的沁北电厂2× 600MW超临界机组，为我国自行研制、开发大型超 超临界发电机组奠定了基础。2002年国家科技部 把超超临界燃煤发电技术"研究课题列入863计 划，并由国内近20个科研机构、大学、电力设计单位 参与课题的各项研究任务。国家计委批准的华能玉 环电厂2×1000MW级超超临界发电机组，2003年 3月已动工兴建。超临界和超超临界机组将成为我

来，明显改善了热力系统的水、汽品质，保障了机组 的安全，经济运行。高塔分离技术在精处理凝结水 上，树脂分离具有相当的优势，其良好的树脂分离效 果提高了树脂的再生度，保证了精处理系统对树脂 再生度的要求。但是，由于高塔分离法的再生系统 较为复杂，增加了系统控制的难度，对再生提出了更 高的要求。树脂分离是凝结水精处理的关键技术，