超超临界机组新型耐热钢材

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1、WuhanUniversity超超临界火电机组新型耐热钢材料主讲人：杨兵博士武汉大学动力与机械学院材料系2007年10月从目前世界火力发电技术水平来看,提高火力发电厂效率的主要途径是提高工作介质(蒸汽)的参数,即提高蒸汽温度和压力。发展超临界(SC)和超超临界(USC)火电机组,提高蒸汽参数对提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。随着蒸汽温度和压力的提高,电厂锅炉的效率在大幅度提高,供电煤耗大幅度下降,提高蒸汽参数遇到的主要技术难题是金属材料耐高温、耐高压问题。我国电力百科全书对“超超临界”定义为:蒸汽参数高于27MPa。我国863课题“超超临界发电技术”将超超临界机组设

2、定在蒸汽参数大于25MPa,温度高于580℃的范围。超超临界机组发电净效率达43%～47%,煤耗在279～300g/kW.h,启动速度快,调峰性能好,低负荷运行稳定,脱硫脱硝工艺成熟而且CO2排放量比亚临界机组、超临界机组减少2%～10%。具有显著的节约能源和减少污染的优势。超超临界(USC)机组相对超临界机组蒸汽温度和压力的提高对电站关键部件材料带来了更高的要求，尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、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。对锅炉来说具体表现在:(1)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

3、相适应的高温持久强度。(2)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，烟气腐蚀速率将大幅度上升，因此超超临界机组中腐蚀问题更加突出。(3)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3种后果:氧化层的绝热作用引起金属超温、氧化皮的剥落在弯头等处堵塞引起超温爆管、剥落的氧化物颗粒对汽轮机前级叶片和喷嘴等的冲蚀。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。(4)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，对主蒸汽管道、联箱、阀门等厚壁部

4、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。对汽轮机而言，其中的转子、叶片以及其他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的回火脆性。火电机组用钢主要有两大类：奥氏

5、体钢和铁素体钢（包括珠光体、贝氏体和马氏体及其两相钢）。奥氏体钢比铁素体钢具有高的热强性，但膨胀系数大，导热性能差，抗应力腐蚀能力低，工艺性差，热疲劳和低周疲劳（特别是厚壁件）也不及铁素体钢，且成本高得多。　　目前，超临界和超超临界机组根据采用的蒸汽温度的不同，主要采用了以下三类合金钢：　　　　（1）低铬耐热钢。包括1.25％Cr-0.5%Mo(SA213T11)、2.25Cr-1Mo(SA213T22/P22)、1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)以及9％～12％Cr系的Cr-Mo与Cr-Mo-V钢等，其允许主汽温为538～566℃。（2）改良型9％～12％铁

6、素体－马氏体钢。包括9Cr-1Mo（SA335，T91/P91）、NF616、HCM12A、TB9、TB12等，一般用于566～593℃的蒸汽温度范围。其允许主汽温为610℃，30MPa再热汽温625℃；使用壁温：锅炉625～650℃，汽机600～620℃。（3）新型奥氏体耐热钢。包括：18Cr-8Ni系，如SA213TP304H、TP347H、TP347HFG、Super304H、TempaloyA-1等；20-25Cr系，如HR3C、NF709、TempaloyA-3等。这些材料的使用壁温达650～750℃，可用于汽温高达600℃的过热器与再热器管束，具有足够的蠕

7、变断裂强度和很好的抗高温腐蚀性能。　　正是由于上述低铬耐热钢和改良型9％～12％Cr铁素体型钢的研制及使用成功，促进和保证了超超临界机组的发展，并降低了超超临界机组的造价，在经济上具备竞争力。目前，这些新型钢已在欧洲和日本的电厂推广应用，主蒸汽温度最高达610℃。4.2超超临界机组实例[7]4.2.1日本川越电站日本川越火电厂的2×700MW机组(32MPa、566／566／566℃)是当代具有代表性的超超临界火力发电机组，其锅炉为三菱重工制造的露天型直流辐射二级中间再热直流炉。锅炉最高温的过热器采用耐酸性能良好、符合AS