超临界火电机组用关键锅炉管材

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中国火电装机容量、用电量、火电设备制造方面是仅次于美国的第二大国，对火电用耐热钢的需求是世界上第一大国。超超临界火电机组成套技术是我国优化发展火电结构，保证国家能源安全，实现节能减排的最重要措施之一，高品质锅炉钢管材是制约我国发展该技术的“瓶颈”，目前依靠进口。火电机组（锅炉和汽轮机）中，在高温高压条件下服役的钢管、叶片、螺栓、转子、汽阀等等，要求使用寿命10年以上。

世界各国投入研究力量最多的是高温高压用耐热钢管材。日本1950年代从美国、德国引进技术，1981年开始超超临界发电研究计划，1997年政府资助NIMS开展650℃蒸汽参数铁素体耐热钢基础研究（《超级钢》项目的课题之一）。欧洲实施COST501计划（1983－1997年，参数30MPa/600/620℃）和COST522计划（1998—2003，参数＞30MPa/650℃），热效率达到50％。COST501计划重点是研究9～12％Cr钢，开发出E911和转子用钢X12CrMoVNb101、X18CrMoVNbNB91及铸钢GX10CrMoVNbN101。1998年欧盟实施为期17年的Thermie计划（又称700℃计划），研发目标是参数37.5MPa／700℃的超超临界机组。美国在1986年提出CCT计划（1986－1992年）发展超高效机组，1992年提出Combustion2000计划（后并入Vision21计划），1999年提出的Vision21计划（1999～2002）。这些计划开发超超临界机组用钢。美国在１９８０年代开发出的T91钢为超超临界机组的奠定了材料基础。美国、日本、欧洲的蒸汽温度600℃超临界和超超临界机用钢材经10多年的运行已经可以满足使用要求，正在研制650℃蒸汽温度参数机组用耐热钢，预研700℃蒸汽温度参数机组用耐热钢。

我国开始重视火电用钢的发展，2003年国家科技部在“863计划”中列入“高效超临界火电机组关键用材研制”课题，钢铁研究总院等单位开展T122和Super304H钢探索性研究。中国除生产部分102、T23、T91、TP304H、TP347H外，其它依靠进口，特别是超临界和超超临界机组中高品质耐热钢。当前我国最突出的问题是解决用量最大、难度最高的高温高压耐热钢管。我们一方面需要引进和消化国外成熟的耐热钢，另一方面需要走具有中国特色的发展道路，发展火电用耐热钢，满足中国不断增长的火电机组建设需求。

耐热钢的发展水平，决定了不同时期的火电机组运行参数，在1920年代使用碳钢，蒸汽压力4MPa，温度370℃。随后Mo钢的出现，参数提高到10MPa和480℃。直到1950年代，由于CrMo钢的应用，参数提高到17MPa和566℃。1970年代能源危机，为了提高热效率，使美、日、欧各国重新开始对高参数用钢的开发，重点发展导热系数大，热膨胀系数小的铁素体型（马氏体）钢，尤其是9～12%Cr钢的研究，替代奥氏体钢。图3示出了600℃、105h下耐热钢持久强度发展的进程。

铁素体型耐热钢发展主要分为四个发展阶段，在1960～1970年代EM12、HCM9M、HT9、HT91等9～12％Cr钢对于亚临界机组的发展有很大贡献。直到1970～1985年期间，T/P91、HCM12和HCM2S提高了钢的持久强度、可焊接性等，机组蒸汽温度提高到593℃以上，保证了超临界机组的运行和超超临界机组的试验建造。1985年以后开发了T92（NF616）、E911和HCM12A（T/P122）。由于进一步增加W、Mo、Cu等强化元素，钢的持久强度提高，机组的蒸汽温度提高至600℃以上，这样保证了超超临界机组的成功运行。由于铁素体钢导热性好，热膨胀系数小，钢的热疲劳抗力比奥氏体钢好。同时，铁素体耐热钢焊接性好，与其它铁素体钢的焊接属于同种材料焊接，焊接接头性能稳定，成本比18-8奥氏体钢低。由于这些优点，世界各国都大力研究发展铁素体耐热钢。近年来，通过加入3W-3Co及B、Ta、Nd等元素进一步强化发展了NF12，SAVE12等新型耐热钢，可望满足650℃蒸汽温度参数使用。奥氏体耐热钢主要用于过热器和再热器的高温段管道，其的特点是持久强度高、抗氧化和抗腐蚀性能优越，使用温度比铁素体钢高。可以大致分成四类，即15Cr-15Ni型、18-8型、25Cr-20Ni型和高Cr合金型。15Cr-15Ni型有17-14CuNb、Esshete1250、TempaloyA-2等；18-8型有TP304H、TP321H、TP316H、TP347H、TP347HFG、Super304H、TempaloyA-1等；25Cr-20Ni型有TP310、TP310NbN（HR3C）、NF707、NF709、Alloy800H、TempaloyA-3、SAVE25等；高铬合金型有CR30A、HR6W、Inconel617、Inconel671，Inconel740等。耐热钢的基体组织和析出相的稳定性是其高温性能的基础，图4是铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢的组织特征。

耐热钢管材课题将在以下三个方面取得进展：建立从材料成分设计-冶炼-铸造-热加工-热处理-焊接-性能综合评价-应用-在役性能评估和寿命预测全过程技术体系；实现超超临界火电机组高品质锅炉钢管材的国产化生产和应用；形成以多元素复合强化、超细弥散析出相稳定化、高温高压蒸汽和多种燃烧介质腐蚀环境下材料的组织和界面行为为主要内容的高温高压腐蚀环境下长期服役的耐热钢铁材料设计理论和技术。通过研发达到以下目标：为解决超超临界火电机组建设需要，形成T/P91、T92、S30432、S31042钢管的稳定生产技术，在宝钢、攀钢、兴澄特钢实现批量生产。钢管性能满足锅炉厂钢管供货技术条件，按ASME规定外推值，T92钢管和焊接接头的105小时持久强度≥96MPa（600℃，据104小时数据外推）；S30432钢管和焊接接头的105小时持久强度≥116MPa（650℃，据104小时数据外推）；S31042钢管和焊接接头的105小时持久强度≥58.6MPa（700℃，据104小时数据外推）。产能达到5000吨/年，并获得实际工程应用。开发T/P91、T92钢的冶炼和连铸生产技术，铸坯合格率大于97％，铸坯成份偏析率小于1.1，形成铁素体耐热钢连铸生产技术。提供与上述USC钢管配套的焊接材料与技术。确定蒸汽腐蚀机理和规律，氧化层剥落机理和规律，建立在役寿命预测检测方法，逐步建立锅炉钢高温长时试验数据