7超超临界火电厂材料研究综述及选材分析50.doc

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、技术经济性最好的己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木文对国 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木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、C02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—620°C,压力 则分为25MPa、27MPa和30-31MPa二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片的冲蚀因此在过热 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 °C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°C /565°C/538°C)、Eddystone T (325MW, 34. 5MPa, 649°C/566°C/566°C )、英国的 Drakelow 12# (375MW, 24MPa/593°C)、联邦德国 Huis 化工厂的自备电厂 1 机(85MW, 29. 4MPa, 600°C/560°C /650°C)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 『大多数时间是在32. 4MPa/605°C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数机组建造和可靠运行的决定作用，这些研发项目都把耐热 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 前还在进彳丁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 C0ST536,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COST (Cooperation 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°C/600°C和 29. 4MPa/600°C/620°C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等机构和项目紧密结合整个 项目分为三个阶段进行：第一阶段有12个国家参与，共104个项目，总经费1500万欧元； 第二阶段14个国家参与，共210个项目，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个项目在COST 501中开发出了 E911 锅炉管和高温蒸汽管道材料以及COST E、C0ST F和COST B等汽轮机转了材料,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 多个研究项目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°C的蒸汽轮机电厂；• 燃烧室温度1450°C. NO*排放小于lOppm的燃气轮机的需要在蒸汽轮机项目中，将应用铁素体钢建造蒸汽参数为29. 4MPa/620°C/650°C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状态的监测分为锅炉和汽轮机两个子项目，图1是COST 522 蒸汽轮机发电项目组的组织图图1 COST 522蒸汽轮机发电项目组的组织表1 AD700项目的时间表PhaseDe scriDtion969798990001020304050607080910111213141AConceptual feasibilityIBMaterial property demonstration2ABasic design for Phase 32BMaterial property demonstration3Large test facility and test programme4Con setruction of demonstration plant5Operation of demonstration plant6Feedback to partners3. 1. 3 Thermie AD700 项目欧盟还启动了最新一轮的研发计划一Thermie AD700 PF Power Plant （兆卡计划一先进 的700°C燃煤电厂），即在今后20年实现37. 5MPa/700°C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2015年完成。

其中关键部件将采用Ni基高温 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 617 （54Ni-22Cr-1. 2Co- 9Mo-lAl-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°C/105h 持久强度要达到1 OOMPa,作为其它高温区域用的大口径管道700°C的强度达到1 OOMPa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项目共分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C0ST501和522项目开发出了一系列的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600-620C,通过对这类材料进行改进可使蒸汽温度 提高到640-650°C,获得2-3%的效率增益，而成本却不明显提高COST 536与前面两个项目 相比，主要从三个层次集中于一些新的技术领域：在纳米尺度（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。

在该项目之前已经启动了 Komet650、Supercoat以及AD700等项目。