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700℃超超临界机组高温材料试验平台综述胡皓，舒涛 （中国电力工程顾问集团中南电力设计院，湖北 武汉 430071）摘要：文章介绍国内外700℃高温合金材料的研发，国外高温材料挂炉验证试验情况，围绕我国首个700℃高 温材料验证试验平台，对试验验证平台的研究进展、平台总体设计方案、试验部件的材料选型及主要试验内 容，系统拟定及布置应力计算进行详细论述关键词：700℃；镍基合金；高温材料；试验平台；总体方案；布置；应力计算0 引言及我国高温材料验证试验平台（以下简称“试验平 台”）总体技术方案的研究根据收集到的资料和 设计院参与试验平台的设计工作撰写此文700℃超超临界燃煤发电技术是指主蒸汽温度 超700℃的新一代先进发电技术，该技术可以大幅 提高机组的发电效率 ， 显著较低燃煤消耗量 ， 有 效控制温室气体及SO2 、NOx 等有害气体的排放， 对我国实现节能减排及能源工业的可持续发展意 义重大 国家能源局于2010年组织成立了“国家700℃ 超超临界燃煤发电技术创新联盟”（以下简称“联 盟”），并设立国家能源领域重点项目《国家700℃ 超超临界燃煤发电关键技术与设备研发及应用示 范》，围绕700℃超超临界燃煤发电机组的总体方 案设计、高温材料的技术研究、锅炉的设计制造技 术、汽机的设计制造技术、关键部件试验平台的建 立及运行，示范电站的工程可行性研究等方面开展 研究。

700℃超超临界燃煤发电技术的研发是一个庞 大而系统的工程，高温材料和部件的现场试验验证 是其技术走向实际工程示范应用前的必不可少的一 个关键技术环节因此，建立并运行700℃超超临界 燃煤机组关键部件验证试验平台非常必要华能清洁能源研究院 （ 以下简称 “ 华能清能 院” ）承担了其中的子课题五《关键部件验证试验 平台建立及运行》的项目研发工作，设计院和华能 清能院合作，参与到我国首个700℃高温材料试验平 台系统及布置的详细设计工作，借此契机，充分了 解联盟工作动态，国内外700℃技术趋势和动态，以1 国内外高温合金材料研发情况随着机组参数不断提高，高温材料性能的水平 起着决定性作用蒸汽温度提高到700℃等级后，现 满足600℃蒸汽参数的合金铁素体和合金奥氏体材料 已经不能满足要求700℃超超临界机组对高温材料 的基本要求是： 高温持久蠕变性能（>100MPa700~750℃/105h 持久强度）；耐高温腐蚀性能（105h 金属截面损失 小于1mm）；长期组织稳定性；管内壁抗蒸汽氧化 性能；良好的冷热加工工艺；良好的焊接性能；管 外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀；低成本。

为满足强度 、 抗高温蠕变 、 抗高温腐蚀等要 求 ， 过高温段过热器 、 再热器 、 高温蒸汽管道和 集箱 、 阀门 、 汽轮机转子 、 汽缸和叶片等高温部 件必须采用镍基合金材料 在对 700 ℃使用的镍 基合金材料积极研发 ， 欧州重点开展了 Inconel 617，Nimonic 263合金的研制；美国开展了Inconel 740/740H、Haynes 230、Haynes 282合金的研制； 日本开展了HR6W、HR35、Save25、18-30-3合金 的研制；中国开展GH2984、G110的研制但是， 在现有锅炉候选材料中，仅有Haynes 230、Inconel 617/617B、Inconel 740/740H以及HR6W合金获得 了ASME Code18技术胡皓等：700℃超超临界机组高温材料试验平台综述项目执行以来 ， 已经完成的专业技术工作包 2 国外高温材料实炉验证试验情况括： 1）完成了对备选试验机组的调研和分析，确定 试验平台试验机组的型式和基本参数，确定了宿主 试验机组，即华能南京电厂2号机组 2）完成了试验平台的初步设计方案，并于2012 年3月1日通过了联盟技术委员会组织召开的国家能源 局科技项目《国家700℃超超临界燃煤发电关键技术 与设备研发及应用示范》课题5《关键部件验证试验 平台建立及运行》验证试验平台初步方案的评审会。

3）基于华能南京电厂的机组条件，完成试验平 台系统设计和管道详细设计和校核，提出试验锅部 件的现场布置方案 4）完成了试验平台高温验证材料的选型及规格 尺寸，提出国内外高温验证材料及验证部件的性能 工艺评定标准，完成总体试验方案 5）提出试验平台系统的启停及事故条件下的控 制方案 6）与国内外相关的制造企业、冶金企业和科 研院所紧密联系，落实试验平台验证部件的采购渠 道3.2 700℃高温材料验证试验平台总体方案 高温材料验证试验平台将直接安装在宿主机组 上，其汽水系统和宿主机组的系统相关联因此， 试验平台的运行不仅关系到试验目标是否达成，而 且直接影响宿主机组的正常安全运行试验平台的 可靠性至关重要，验证试验平台的系统拟定和总体 方案需进行充分的论证和研究3.2.1 验证试验平台宿主机组情况 华能南京电厂是华能国际电力股份有限公司全 资电厂，安装2台32万千瓦全套引进苏联燃煤超临界 机组锅炉型号为Π-1000-25-545-KT，超临界压力， 直流炉，一次中间再热，平衡通风、固体排渣锅 炉采用单炉膛П型布置，全悬吊结构，露天布置 3.2.2 验证试验平台设计参数 蒸汽温度725℃，蒸汽流量大于10t/h。

3.2.3 验证试验平台试验部件 验证试验平台主要试验部件为水冷壁 、 过热 器、集箱、高温管道及其附件（管件、调节阀、旁 路阀、阀门等）3.2.4 验证试验平台系统图 从宿主机组I 级屏过热器进口集箱抽取一股蒸 汽，先进入布置在炉膛内的蒸发受热面，通过加热 将温度提高到610℃；然后，蒸汽进入过热器受热 面，温度从610℃升高至725℃主蒸汽回路是将蒸汽先后经过安全阀、汽机进口 阀等试件，完成725℃条件下，对试验部件材料的性 能试验最后，经过减温减压，将蒸汽参数降至与宿欧盟先进超超临界发电技术的计划的第二阶 段为采用新材料的部件现场挂炉验证试验阶段在 700℃研发过程中，已经建立了三个高温部件验证试 验装置：丹麦Esbjerg 电厂的过热器试验装置；德国 Scholven电厂F机组上的“COMTES 700”以及德国 GKM的725℃试验装置“GKM HWT 725 I” 其中COMTES 700试验平台是迄今为止规模最 大的高温材料试验平台，于2005年8月建立，2009年8月结束，试验部件实际运行时间22400小时，蒸汽 温度在高于680℃的运行时间12850小时。

锅炉试验 部件为锅炉蒸发受热面管屏、过热器、集箱、主蒸 汽管道以及进汽阀、安全阀和旁路，主要验证的材 料有：T23、HCM12、HR3C、Alloy 617、Sanicro 25、Alloy 740和Alloy 625现场试验的结果是厚壁 部件和蒸汽管道在A617减温器管道的焊缝及其附近 区域出现了较大裂纹，主要原因是焊接的附加热应 力和残余应力而引起的对于焊接残余应力引起的 开裂，关键在于焊接的热处理问题欧洲国家开展了“725 HWT GKM II”的试验 该阶段试验的主要目的是模拟交变负荷下材料和部 件的性能并通过高温部件试验对相关结果和理论进 行试验验证 725 HWT GKM II试验平台仍然安装在德国GSK 电厂 6 号机组 ， 于 2011 年启动 ， 项目将持续 4 年 ， 2014年底试验结束 2011年美国提出“Last Lap”计划，该计划将 在未来的700℃超超临界机组条件下试验水冷壁、过 热器以及控制阀门等高温部件，计划试验时间超过 15000小时目前，美国的试验台方案还处于方案设 计阶段，最终的方案还未确定 日本在2008年开始700℃等级超超临界技术研 究，提出将在整个研究过程中进行高温材料实炉验 证试验。

目前，尚未获得其确切的平台建设和验证 试验信息3 国内高温材料验证试验平台技术 方案3.1 700℃高温材料验证试验平台的研究进展 华能清能院承担的子课题5《关键部件验证试验 平台建立及运行》是拟通过在一台现役大型火力发 电机组上，自主设计、制造、安装和运行一套关键 部件的验证试验平台并利用其开展试验验证研究， 对700℃超超临界燃煤发电机组相关的重要高温合金 材料性能及其制造工艺可靠性进行现场试验验证技术19发 电 技 术中国电业·技术 2014年第10期主机组主蒸汽参数一致，返回宿主机组主蒸汽管道 旁路蒸汽回路主要实现对汽机旁路阀门材料性 能、启动特性的验证725℃的蒸汽经过汽机旁路阀 减压减温，返回宿主机组的再热蒸汽系统验证试 验平台系统图详见图13 ） 第一片管屏以国外材料 （ Sanicro25 、 617B、282、740H）为主； 4 ） 第二片管屏以国产对应材料（ GH984G 、 C-HRA-3、TG700A）为主 4.3 受热面试验部件的工艺验证和试验内容 4.3.1 工艺验证 锅炉厂膜式壁自动焊； 现场组合安装手工焊 接（管子拼接和密封焊、现场热处理）；）锅炉管 弯管工艺；三通制造工艺等。

4.3.2 验证内容 烟气腐蚀性能； 蒸汽氧化性能； 组织和结构 变化；力学性能的变化 4.4 大口径管道试验部件（含管件）的材料选型及 主要试验内容 4.4.1 材料选型 大管道试验件的材料计划选用进口740H 或国 产C-HRA-1 4.4.2 试验内容 外壁高温氧化 ； 蒸汽氧化性能 ； 组织和结构 变化；力学性能的变化；结构完整性；保温材料性 能4.5 阀门试验件的材料选型及主要试验内容 阀门试验件包括：高旁阀、安全阀、调节阀、 疏水阀、减温器及关断阀等 4.5.1 材料选型 阀门的阀体、阀杆等高温部件选用镍基合金进行制造，低温部件选用不锈钢材料制造 4.5.2 试验内容 包括：阀门设计；阀门材料的选型；阀门的生产制造工艺等；阀门的启停等操作要求图1 验证试验平台系统图4 高温材料验证试验平台材料选型 方案及试验内容通过综合比较分析国内外高温材料的各项性能 及发展潜力，参考国外挂炉试验的成果，在受热面 壁温计算和结构计算的基础上，提出了我国700℃ 高温材料验证试验平台材料选型及主要试验内容 本验证试验平台包含蒸发受热面和过热受热 面其中蒸发受热面布置在炉膛中，主要吸收炉膛 内煤粉燃烧释放出来的辐射热。

过热受热面受到炉 膛空间的限制，布置在炉膛上方区域，主要吸收烟 气的辐射对流放热4.1 蒸发受热面试验部件的材料选型 蒸发受热面的型式及安装位置主要考虑炉膛的 相对高度计宽度、炉膛水冷壁结构、固定方式等 1） 从I级屏出口集箱至水冷壁进口集箱的连接 管道选用P912）蒸发受热面各段材料如下： 进口管道和集箱：P91+T91； 水冷壁： 壁温593 ℃以下区域选用T91 ； 壁温 593℃以上区域，其中8根管道选用617B，3根管道 选用国产材料GH2984G 3）出口集箱： P92+T92接管 4.2 过热受热面（含集箱）试验部件的材料选型 过热受热面，安装相对比较简单试验平台采 用U型悬吊管屏结构，共两片，布置在炉膛上炉膛 前方 1） 从水冷壁出口集箱的连接管道选用P924； 2 ） 过热器试件并联设置两个管屏 ， 两个过 热器管屏共同引入一个出口集箱 ， 集箱材料选用 740H 或国产 C-HRA-1 ， 管座与过热器管直接连 接；5 高温材料验证试验平台现场布置 方案上海电气集团上海锅炉厂有限公司和中国电力 工程顾问集团中南电力设计院分别负责完成锅炉范 围内、外的管道施工设计工作，共同确定了试验平 台的现场布置方案。

5.1 试验平台布置的原则 5.1.1 满足验证试验要求 试验平台必须能够达成设定的运行参数，完成任务书中对试验内容及试验目标的要求 5.1.2 布置方案可行 受热面布置必须有足够的炉膛空。