超超臨界火電機組鋼材選用分析

梁軍

(神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京市 100025)

0 引言

超超臨界燃煤發電技術經過幾十年的發展，目前已經是世界上先進、成熟達到商業化規模應用的潔凈煤發電技術，在不少國家推廣應用并取得了顯著的節能和改善環境的效果。其最高運行蒸汽溫度超過了600℃，運行蒸汽壓力超過了25 MPa，而且還在不斷升高，對關鍵部件的材料性能提出了更高的要求［1-4］。本文將結合超超臨界高溫部件耐熱材料的發展狀況，分析目前超超臨界機組關鍵部件耐熱鋼材料的選用和使用中存在的主要問題。

1 超超臨界機組的發展狀況

20世紀70年代發生的世界能源危機，促使各國為了進一步提高發電效率，降低CO2等溫室氣體的排放，適應環境保護和節約能源的要求，重新開展了對超(超)臨界機組的研究［2-3］。據統計，目前全世界已投入運行的超臨界及以上參數的發電機組有800余臺，其中美國約有170臺，日本和歐洲各國各約60臺，俄羅斯及原東歐國家280余臺。自1979年開發了T/P91鋼在內的系列新型耐熱鋼，使得火電機組由超臨界參數發展到超超臨界參數成為可能，20世紀90年代初日本和歐洲各國開始批量建設超超臨界機組，同時進一步開發高參數超超臨界機組。

2006年隨著玉環、鄒縣電廠1 000 MW超超臨界機組投產，我國在電站設計、制造、安裝以及機組單機容量、蒸汽參數、環保等級等方面都達到了火電機組世界先進水平。但這些技術包括所使用的高溫材料絕大部分都是進口和引進的，我國對新型高溫材料的認識尚處于空白期。目前各國都在對鐵素體型高溫耐熱鋼進行改進研究，且已經開發出在高溫和高壓條件下仍具有較高的蠕變強度和抗蒸汽腐蝕能力的鐵素體型高溫耐熱鋼，使得在不用鎳基合金的情況下建設650℃蒸汽參數的超超臨界機組逐漸成為現實。2010年7月23日國家能源局宣布“國家700℃超超臨界燃煤發電技術創新聯盟”正式組建和啟動，標志著我國在新型火電機組研發方面的積極態度。充分認識到高溫新型材料的重要性是新型高效超超臨界機組研發的關鍵所在。

2 超超臨界機組鍋爐鋼材的發展過程

發展高效超超臨界機組，關鍵技術是要解決鍋爐受熱面、聯箱、汽水分離器及蒸汽管道等所用的鋼材。超超臨界鍋爐鋼管長期在高溫、高壓、腐蝕環境下工作，一般典型工況是溫度600℃、壓力26 MPa，外壁高溫煤灰氣流一般設計壽命為30年。

鍋爐用鋼既要有很高的熱強性、抗高溫蒸汽腐蝕和氧化，還要有抗高溫煙氣腐蝕以及良好的冷熱加工性和焊接工藝性。其設計原則一般為:(1)滿足部件工作溫度的需要;(2)良好的高溫持久強度、蠕變強度、抗松弛性能;(3)抗蒸汽氧化、煙氣腐蝕特性;(4)組織穩定、無常溫脆化和長期高溫失效脆性;(5)易于加工;(6)具有良好的焊接工藝性;(7)較低的材料價格和制造成本。

超超臨界機組耐熱鋼可分為三大類:奧氏體耐熱鋼、鐵素體耐熱鋼(包含珠光體、馬氏體、貝氏體及雙相鋼)、耐熱合金鋼(包含鎳基合金鋼)。可以說由于91-92系列鐵素體耐熱鋼的開發，成就了火力發電機組高參數的不斷發展，成為鎳基合金鋼探索應用前的，最具性價比的高溫材料，這是造就600℃等級超超臨界機組成功研發的關鍵所在。不同鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼許用應力和溫度的關系如圖1所示。

2.1 高溫耐熱鋼的發展過程

由于電站鍋爐發展和國民經濟密切相關，美、日、歐等工業發達國家都制定了長期發展計劃，有很多高溫材料研發都由國家組織實施。衡量高溫耐熱鋼的直接指標就是高溫持久強度。

20世紀20年代，電站鍋爐主要使用碳素鋼，蒸汽壓力、溫度為4 MPa、370℃。隨著Mo鋼的出現，參數提高到10 MPa、480℃。20世紀50年代，隨著Cr-Mo鋼的出現，參數又提高到17 MPa、566℃。20世紀70年代，美、日、歐等工業發達國家在能源危機的情況下開始研制鐵素體鋼用以發展高參數機組，其中導熱系數好、熱膨脹系數小的鐵素體型馬氏體鋼成為最佳選擇。20世紀鐵素體耐熱鋼發展分為4個階段:20世紀60—70年代開發的EM12、HCM9M、HT9、HT91鋼等9% ～12%Cr鋼對于亞臨界機組做出了巨大貢獻;1970—1985 年開發 了 T/P91、HCM12、HCM25鋼，通過多元復合強化技術使得高溫持久強度大幅提升，由此發展了超臨界機組，蒸汽溫度達到了580℃、壓力達到 24 MPa;1985年 T/P92(NF616)、E911、NCM12A(T/P122)鋼研制成功，在T/P91鋼基礎上增加了W、Mo、Cu等強化元素，鋼的高溫持久強度得到進一步提高，由此建造的管道、聯箱蒸汽溫度可達到600℃以上，形成了真正的超超臨界機組;近年來，各國通過3W-3Co匹配即加入 B、Ta、Nd等元素進一步強化發展了NF12、SAVE12等鋼，為650℃蒸汽溫度參數的機組提供了關鍵材料。

圖1 許用應力和溫度的關系Fig.1 Relationship between allowable stress and temperature

2.2 國外高溫耐熱鋼材料的發展過程

日本、歐洲各國和美國研制的針對蒸汽溫度為600℃的超臨界和超超臨界機組用耐熱材料經10多年的運用考核，總的來說已基本滿足使用要求。現階段，日本、歐洲各國和美國正在研制650℃蒸汽溫度參數機組用材和預研700℃蒸汽溫度參數機組用材，如表1所示。

3 超超臨界機組材料的合理選用

由于電站的大部分承壓部件運行在較為惡劣的工況條件下，高溫材料選材是需要關注的設計環節。

3.1 超超臨界鍋爐耐熱鋼材料

通常超超臨界機組鍋爐都采用膜式水冷壁。水冷壁用鋼一般應具有一定的室溫和高溫強度，良好的抗疲勞、抗煙氣腐蝕、耐磨損性能，并要有好的工藝性能，尤其是焊接性能。由于膜式水冷壁組件尺寸及結構的特點，其焊后不可能在爐內進行熱處理，故所選用的鋼材的焊接性至關重要。要在焊前不預熱、焊后不熱處理的條件下，使焊后熱影響區硬度(HV10)不大于360、焊縫硬度(HV10)不大于400的有關規定(TRD201)，以保證焊接結構高溫服役條件下使用的安全性。另外，水冷壁管內介質是液-氣兩相流，管外壁又是在爐膛燃燒時煤粉顆粒運動速度最快的區域，積垢導致的管壁溫升高和燃燒顆粒沖刷都是選用鋼材時需要考慮的問題。隨著超超臨界機組鍋爐蒸汽壓力、溫度的升高，水冷壁溫也會提高，例如在31 MPa/620℃的蒸汽參數下，出口端的汽水溫度達475℃，投運初期中墻溫度為497℃，而隨著垢層增厚，中墻溫度可升至513℃，熱負荷最高區域管子壁溫可達520℃，管子的瞬間最高溫可達540℃。為滿足這種高參數鍋爐水冷壁使用條件，在SA213T22鋼的基礎上開發的T23(HCM2S)和T24(7CrMoVTiB10-10)鋼，均具有良好的焊接性，基本可用于蒸汽溫度620 ℃ 以下鍋爐水冷壁［3，5］。目前 T23 鋼在我國1 000 MW機組的應用中出現了嚴重的焊縫開裂問題，這已是影響到塔式超超臨界機組安全運行的重要隱患。初步分析表明主要是T23鋼在焊接及熱處理過程中的再熱裂紋傾向沒有解決，導致在應力、結構復雜部位發生大量焊口開裂現象。

表1 工業發達國家的火電機組用鋼研究計劃Tab.1 Steel research program of thermal power plants in the industrial countries

3.2 過熱器、再熱器耐熱鋼材料

過熱器、再熱器在高參數鍋爐中所處的環境條件最惡劣，所用鋼材在滿足持久強度、蠕變強度要求的同時，還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕及抗飛灰沖蝕性能、管子內壁抗流動蒸汽氧化性能，并具有良好的冷熱加工工藝性能和焊接性能。過熱器管、再熱器管的金屬壁溫一般可比蒸汽溫度高出30～50℃(我國規定為50℃)［3］。根據目前已開發的鍋爐鋼及其實驗數據，在燃煤含硫量很低、煙氣腐蝕性很小的情況下，對于超超臨界機組鍋爐的過熱器和再熱器，當壁溫≤600℃時，可選用T91鋼;當壁溫≤620℃時，可選用T92、T122、E911鋼;當壁溫≤650 ℃ 時，可選用NF12、SAVE12鋼。采用含硫量高、腐蝕性大的燃煤時，當壁溫≥600℃時(蒸汽溫度≥566℃)，過熱器和再熱器應選擇TP304H、TP321H、TP316H、TP347H奧氏體耐熱鋼。而 Super304H(S30432)和TP347HFG 2種細晶奧氏體耐熱鋼蠕變強度高，抗煙氣腐蝕和抗蒸汽氧化性能更好，在超超臨界鍋爐過熱器、再熱器用鋼中得到廣泛應用。當壁溫達到700℃時，過熱器、再熱器只能選用高 Cr耐熱鋼 NF709、SAVE25 和 HR3C 等［6-8］。

3.3 聯箱耐熱鋼材料

聯箱(包括末級過熱器、末級再熱器出口聯箱)與管道(包括主蒸汽管道、導汽和再熱蒸汽管道)主要布置在爐外，服役環境中沒有煙氣加熱，即不涉及腐蝕問題，管壁溫度與蒸汽溫度相近。這就要求鋼材應具有足夠高的蠕變持久強度、蠕變強度、抗疲勞和抗蒸汽氧化性能，還要具有良好的加工工藝和焊接性能。鐵素體耐熱鋼如T/P91、T/P92等，具有線膨脹系數小、熱導率高等優點，在較高的啟停速率下，不會造成聯箱、管道厚壁部件嚴重的熱疲勞損壞，所以鐵素體耐熱鋼是聯箱、管道的首選鋼材［9-10］。

隨著超超臨界機組鍋爐蒸汽溫度和壓力參數的提高，要求選用具有更高的蠕變持久強度且能夠承受高溫和高壓的鋼種，這樣不僅可以增強聯箱和管道運行的安全性，還可以減小壁厚，降低建設成本，同時減少因管壁過厚引起熱應力的增加以及給加工工藝帶來困難。因此，更高的持久強度、具有優良的抗氧化和抗腐蝕性能的奧氏體耐熱鋼，在過熱器、再熱器的高溫段管子得到廣泛應用，其使用溫度高于鐵素體耐熱鋼，基本為小口徑鍋爐管。

根據Cr含量的不同，奧氏體耐熱鋼大致可分為4類:15Cr-15Ni型、18Cr-8Ni型、25Cr-20Ni型及高Cr合金鋼。奧氏體耐熱鋼在最初的發展過程中，通過添加Ti、Nb等合金元素，提高鋼種的抗腐蝕性和保證鋼種的穩定性。隨后，在保持鋼種性能穩定性的前提下，適當降低Ti和Nb元素的含量，使其具有較好的抗腐蝕性能，同時提高鋼種的蠕變持久強度。之后發展到添加少量的Cu元素，形成Cu富相的沉積，并通過熱處理進一步提高其沉積強化作用。再進一步的發展趨勢是添加一定量的N元素和一定量的W元素，進一步增強固溶強化作用。15Cr-15Ni型的典型鋼種有 17-14CuNb、Esshete1250、TempaloyA-2 鋼等;18Cr-8Ni型的典型鋼種有 TP304H、TP321H、TP316H、TP347H、TP347HFG、Super304H(530432)、TempaloyA-1鋼等;25Cr-20Ni型的典型鋼種有TP310、 TP310NbN (HR3C)、 NF707、 NF709、Alloy800H、TempaloyA-3、SAVE25 鋼等;高 Cr合金鋼的典型鋼種有CR30A、HR6W、Inconel617、Incone1671、Incone1740 鋼等［11-12］。

4 超超臨界機組投運中存在的鋼材問題

到目前為止，超超臨界機組投運時間都較短，但日本的超超臨界機組最近2年己經發生2起主蒸汽或再熱蒸汽管道在運行中爆裂的惡性事故。火力發電機組的大部分關鍵部件在高溫高壓或高速旋轉工況下長期運行，其部件材料的組織結構會不斷老化并導致運行安全與可靠性的降低，甚至會導致早期失效。我國由“鍋爐四管”(過熱器、再熱器、水冷壁和省煤器管)造成的事故停機平均約為1次/(年·臺)，1臺60萬kW的機組僅停機搶修6天造成的主電量損失即超過2 000萬元，而間接損失更大。

4.1 焊接接頭存在的問題

超超臨界火電機組用的T/P23、T/P91、T/P92以及T/P122鍋爐鋼都為正火(和/或調質)狀態下使用的回火貝氏體馬氏體鋼。成分設計上降低了C含量和嚴格控制雜質含量，明顯降低了鋼管的焊接裂紋敏感性。P122鋼的斜Y形拘束裂紋試驗表明:200℃預熱即可保證焊接裂紋率為0，而具有相同Cr含量的X20鋼管的焊接裂紋傾向要大得多。另外由于采用高強度鍋爐鋼后，鋼管和構件的壁厚顯著減薄，從而在焊接時獲得完整無裂紋的焊接接頭的技術難度比獲得完整無裂紋102、T9、X20鋼構件焊接接頭大為降低。然而，焊接接頭性能明顯劣化是焊接這類高強鋼遇到的主要問題。焊接這類高強鍋爐鋼管常遇到以下情況:(1)由于焊縫金屬為鑄態非平衡組織，母材金屬是形變熱處理后的組織，焊縫韌性遠低于母材;(2)由于經受焊接熱循環，焊接熱影響區性能會明顯惡化，而且隨著焊接線能量的增大，惡化程度加劇。

國內近年來對T/P91鋼的焊接實踐也證實焊縫的韌性對線能量和層間溫度極其敏感。采用大線能量、高層間溫度(60 kJ/cm2，250～350 ℃)時，焊縫韌性僅為3.9～15.9 J/cm2，降低線能量和層間溫度(25 kJ/cm2，220～250℃)時，焊縫韌性達到73.2～113.6 J/cm2。采用小線能量TIG熱絲全位置焊接T/P91管，可獲得良好的焊縫韌性。盡管如此，T/P91鋼管焊縫的韌性仍比熱影響區和熔合區低得多，其焊縫平均沖擊功為97 J，而熔合區和熱影響區的平均沖擊功超過200 J。焊接熱模擬實驗研究也表明T/P91鋼熱影響區存在一個蠕變斷裂強度劣化的區域。劣化從焊接熱影響區的850℃(即Ac1)開始，925℃時劣化至最低值，然后逐步恢復，待熱影響區溫度超過1 100℃以后恢復到接近母材。通常在這一區域發生的蠕變斷裂也就是IV裂紋開裂。可見，掌握這類新型鍋爐鋼的焊接及其高溫運行性能，克服其焊縫韌性劣化傾向及熱影響區蠕變斷裂強度的下降，是焊接研究的重點和難點。某發電公司2號機組為超超臨界百萬kW機組，運行1年3個月即在1萬h左右進行了機組大修。2009年11月初在對末級過熱器集箱對接焊縫檢驗過程中，發現大量裂紋缺陷。之后對同種材質的末級再熱器集箱進行了檢驗，結果發現存在較大裂紋缺陷，裂紋明顯帶有擴展性質，并延伸到了母材。

P92鋼是在P91的基礎上適當降低Mo元素含量，同時加入1.8%左右的W和微量B改良的新型耐熱鋼［12］，該鋼種在火電行業使用的時間還不是很長，對這種鋼的性能、特點了解得不多，希望通過上述集箱對接焊縫缺陷，增加對該鋼種焊縫缺陷特征的了解。該集箱焊縫是日本三菱公司制造焊接的，缺陷集中出現在自動焊焊縫上，而手工焊焊縫缺陷比較少，其手工焊縫與國內P92管道對接焊縫相比，焊縫質量還是不錯的。在鍋爐安裝階段對集箱對接焊縫進行過超聲波探傷抽查，當時僅抽查了手工焊縫，漏掉了自動焊焊縫的檢驗。由此應當引起重視，在安裝前的安全檢驗過程中對自動焊焊縫也應增加檢驗比例。

4.2 受熱面高溫金屬材料的抗腐蝕問題

我國首批超超臨界機組的設計煤種和校核煤種均屬于腐蝕性較低的神華煤或晉北煤，含硫量均在0.6%左右。盡管材料的使用溫度提高了，但煙氣側的腐蝕問題還暫時不會很突出。由于國內電煤供應緊張，且我國煤炭資源中高硫煤占相當比例，含硫量大于1%的高硫煤占25%以上，目前20%以上的發電用煤是高硫煤，因此隨著超超臨界機組數量逐漸增多，燃燒高腐蝕性煤種將不可避免。近2年國外的研究已經表明，一些新型耐熱鋼在600℃時過熱器、再熱器金屬壁溫將達到650℃，此種運行工況下的積灰中的Na-K-Fe三元復合硫酸鹽正好處于熔融狀態，不論是鐵素體鋼還是奧氏體鋼對材料硫腐蝕具有顯著的加速作用，腐蝕機理已經全改變，這點還未引起國內行業的重視。對于受熱面高溫金屬材料的挑戰更加嚴峻，如何選擇高溫金屬材料將是我國今后超超臨界機組技術需要投入大量精力的持久研究課題。

5 700℃超超臨界發電技術

根據700℃超超臨界發電技術的難點及與國外差距，目前，已初步形成我國700℃超超臨界發電技術發展路線(2010—2015年)。該路線分9個部分:綜合設計、材料應用技術、高溫材料和大型鑄鍛件開發、鍋爐關鍵技術、汽輪機關鍵技術、部件驗證試驗、輔機開發、機組運行和示范電廠建設。目標參數:壓力≥35 MPa、溫度≥700℃、機組容量≥600 MW。

當前，國內700℃超超臨界燃煤電站技術項目尚處于起步階段，研究機構、材料供應商、裝備制造商、電站運行和管理等各方均表現極大興趣，都已經在開展工作。國內的現狀決定了現階段的材料供應為進口和自主研制并重。但要爭取擺脫關鍵材料單純依賴國外進口的局面，最終實現國產化，形成中國的700℃ A-USC電站關鍵部件用材體系。

6 結語

超超臨界火電機組由于蒸汽溫度和壓力的提高，對關鍵部件材料性能提出了更高的要求。根據關鍵部件的工作環境和要求，掌握高溫火電機組關鍵部件的選材技術、焊接性能和高溫運行性能，研究焊接接頭的失效機理和壽命預測，是保證機組安全穩定運行的關鍵。700℃超超臨界發電技術新型耐熱材料的研究工作亟待進行。

［1］劉正東.中國600℃火電機組鍋爐鋼進展［M］.北京:冶金工業出版社，2011.

［2］唐利萍.超超臨界鍋爐用鋼的發展［J］.應用能源技術，2007(10):20-21.

［3］楊富.超臨界、超超臨界鍋爐用鋼［J］.電力設備，2004，5(10):41-42.

［4］張燕平，蔡小燕，黃樹紅，等.700℃超超臨界燃煤發電機組材料研發現狀［J］.中國電力，2012，45(2):16-21.

［5］Masuyama F.History of power and progress in heat resistant steels［J］.ISIJ International，2001，41(6):612-625.

［6］寧保群.T91鐵素體耐熱鋼相變過程及強化工藝［D］.天津:天津大學，2007.

［7］王雙寶.T92鍋爐鋼抗高溫性能及其微觀組織表征［D］.湖南:湖南大學，2007.

［8］劉金華，李長香.基于超臨界火電站鍋爐用材的超臨界水冷卻反應堆堆芯候選材料分析［J］.核動力工程，2009，30(2):55-58.

［9］王俊杰，王鵬展，王波.超超臨界機組四大管道關鍵材料國產化［C］//中國電機工程學會2010年超超臨界機組管道及管件國產化研討會論文集.天津:中國電機工程學會，2010:63-75.

［10］王鵬展，王俊杰，徐銀庚.超(超)臨界機組P91/P92材料研制及國產化［C］//600 MW/1 000 MW超超臨界機組新型鋼國產化研討會.揚州:中國電力科技網，2009:109-117.

［11］劉正東，程世長，包漢生，等.超超臨界火電機組用鍋爐鋼技術國產化問題［J］. 鋼鐵，2009，44(6):1-7.

［12］楊富.1 000 MW級超超臨界火電機組鍋爐用新型耐熱鋼的焊接［J］.中國電力，2005，38(8):48-52.