我國超超臨界汽輪機用高溫鑄件材料發展趨勢

田　宇　彭建強　魏雙勝　趙義瀚

(哈爾濱汽輪機機廠有限責任公司，黑龍江150046)

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我國超超臨界汽輪機用高溫鑄件材料發展趨勢

田宇彭建強魏雙勝趙義瀚

(哈爾濱汽輪機機廠有限責任公司，黑龍江150046)

摘要：論述了國外汽輪機用高溫鑄件材料的發展狀況，分析比較了9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼和鎳基合金鑄件與低合金鑄件制造工藝的差異，指出我國超超臨界汽輪機用高溫鑄件材料的發展趨勢。

關鍵詞：9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼；鎳基合金；超超臨界；汽輪機鑄件

隨著蒸汽參數的不斷提高，汽缸等汽輪機部件用高溫鑄件材料也已經從Cr-Mo鋼發展成各類9%～12%Cr鐵素體鋼。為了滿足700℃等級先進超超臨界(A-USC)機組的用材需求，國內外正在開展鎳基合金大型鑄件的研發工作。與傳統的1%CrMoV鑄件相比，新開發的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件的使用溫度提高了約50～60℃，而目前國內外正在研究的鎳基合金的使用溫度更是高達700℃以上。但是，9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼和鎳基合金的成分非常復雜，采用這兩種鋼制造汽缸、閥殼等大厚壁鑄件的難度也大大增加。因此，國外非常重視9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼和鎳基合金鑄件的開發和應用研究，比如歐洲的COST501、522、536計劃等，日本的TOS系列9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼高溫鑄件研發計劃等。

本文論述了國外汽輪機用高溫鑄件材料的發展狀況，在分析比較了9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼和鎳基合金鑄件與低合金鑄件制造工藝差異的基礎上，提出我國超超臨界汽輪機用高溫鑄件材料的發展趨勢。

1國內外高溫鑄件材料發展現狀

1.1歐洲

9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼具有優異的高溫性能及較低的線膨脹系數，能夠滿足高參數超超臨界汽輪機高溫部件的用材要求，因此，歐洲制定了一系列各類9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼研發計劃，如圖1所示。

圖1　歐洲汽輪機關鍵部件用9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼研發計劃[1]

從圖1可以看出，與常規的9%～12%Cr鐵素體鋼相比，COST501研發的改良型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的使用溫度提高約30℃，高達610℃，而COST522研發的新型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的使用溫度又提高約25℃，達約630℃。同樣，若按COST536計劃的預期目標，高溫性能更加優異的9%～12%鐵素體耐熱鋼的使用溫度可以進一步提高到650℃。然而，650℃已經達到9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼回火溫度的下限值，在650℃下的長時蠕變持久性能試驗表明，由于鋼的組織發生劣化，比如碳化物聚集長大，形成有害的Laves相等，鋼的蠕變持久強度顯著下降，無法滿足汽輪機高溫部件長時穩定運行的需要。因此，對于使用溫度達650℃的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼，仍然需要更加深入的研究。

表1　國內外汽缸、閥殼用9%～12%Cr鐵素體鑄鋼化學成分[2～8](質量分數，%)

歐洲COST計劃開發的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的化學成分如表1所示。其中， GX12CrMoWVNbN10-1-1和GX12CrMoVNbN9-1是COST501計劃研發出的改良型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件材料，已經廣泛的應用于各類高參數超超臨界汽輪機鑄件，且運行情況良好。比如，采用GX12CrMoWVNbN10-1-1制造出了重60 t的中壓內缸，采用GX12CrMoVNbN9-1制造出了重20 t的高中壓內缸。GX13CrMoCoVNbNB9-2-1(CB2)是COST522計劃研發出的新型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼。隨著620℃等級超超臨界汽輪機的陸續制造及投產，采用新型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼GX13CrMoCoVNbNB9-2-1制造的閥殼等大厚壁部件也陸續投入電廠應用。為了滿足蒸汽溫度達700℃的先進超超臨界汽輪機用高溫材料的用材需求，歐洲還啟動了AD700研發計劃。歐洲700℃等級先進超超臨界汽輪機汽缸、閥體的候選材料為617合金和625合金。

1.2日本

日本為了滿足超臨界、超超臨界汽輪機高溫鑄件用材的要求，開發出了多種9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼，比如東芝公司開發的TOS301(常規9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼)、TOS302(改型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼)、TOS303(新型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼)等，以及日立公司開發的KT5917和KT5616AS3等。TOS系列鑄件材料的典型化學成分和蠕變持久強度分別如表2和圖2所示。日立公司開發的KT系列鑄件材料的化學成分如表1所示。

表2　TOS系列鑄件的化學成分(質量分數，%)

圖2　日本開發的9%～12%Cr鋼

“12Cr%鑄鋼”(TOS301)是20世紀80年代開發出的鋼種。1989年，首次把該鋼用作川越電站700 MW機組的汽輪機汽缸和閥殼。TOS302和TOS303也有很好的實機運行業績，其中TOS303的最高運行溫度為610℃，如表3所示。日本為700℃以上超超臨界汽輪機的汽缸和閥殼選的候選材料有兩類：一類是現有成熟合金IN625和IN617，另一類是新開發的低膨脹系數合金LTES700(鑄件)。東芝公司已經采用IN625合金試制出3.5 t閥殼，并進行了解剖試驗[5]，如圖3所示。

表3　TOS302和TOS303的運行業績[12]

圖3　東芝公司制造的625合金閥殼鑄件

1.3中國

我國也在消化吸收國外超臨界、超超臨界汽輪機汽缸、閥殼用高溫鑄件材料技術的基礎上，開發了改良型9%～12%Cr鋼鑄件材料，比如ZG1Cr10MoWVNNbN、ZG1Cr10MoVNbN等，其化學成分如表1所示。并且，已經采用這些材料廣泛制造溫度達600℃的超超臨界汽輪機閥殼、汽缸等部件。目前，對于620℃等級的新型9%～12%Cr耐熱鋼鑄件，我國的部分鑄造廠也有制造業績，并有望很快應用于國內的620℃等級超超臨界汽輪機機組中。然而，我國制造的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件還存在質量穩定性差，個別性能指標，尤其是短時持久性能，難以滿足材料標準要求的問題。

29%～12%Cr鐵素體耐熱鋼及鎳基合金鑄件與低合金鋼鑄件制造工藝的差異

與常規CrMoV鋼鑄件相比，9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼和鎳基合金的成分更加復雜，因此，在制造工藝方面，無論是冶煉工藝、澆注工藝、熱處理工藝，還是焊接工藝和無損檢測等方面都明顯不同，制造難度大大增加。

2.1冶煉和澆注工藝

常規低合金鋼的成分非常簡單，采用電爐冶煉、大氣澆注即可。而9%～12%Cr鋼必須采用AOD等精煉工藝。鎳基合金鑄件的冶煉過程與合金錠的澆注要求就更加嚴格，尤其是對于汽缸、閥體等結構復雜的高溫鑄件而言。因此，國外鑄造廠非常重視鎳基合金鑄件的冶煉和澆注工藝的深入研究，并采取了大量有效的措施，比如嚴格控制殘余元素含量，采用AOD/VOD等精煉工藝，采用感應加熱冒口等等。

2.2熱處理對鑄件性能的影響

汽缸、閥殼鑄件不可避免存在補焊和結構焊接。而且補焊和結構焊接的位置及次數通常不止一處和一次。為了消除殘余應力，對于較大的焊接區域和關鍵焊縫，必須在焊后馬上進行去應力處理。因此，汽缸和閥體鑄件需要經歷多個熱處理過程，包括切冒口前的回火處理、性能熱處理、多次去應力處理等。常規的低合金鋼鑄件的去應力溫度通常比性能回火溫度低30～50℃，因此，去應力處理不會降低鑄件的性能。但是，由于9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的成分更加復雜，焊接后的內應力要大得多，因此，為了更加有效的去除焊接造成的應力，9%～12%Cr鋼鑄件的去應力溫度通常與性能回火溫度一樣，這樣就可能會降低鑄件的強度。國外鑄件廠大量的9%～12%Cr鑄件制造經驗表明，多次去應力處理會顯著降低鑄件的強度。例如，國外某鑄造廠對厚度100 mm的GX12和GP91鑄造板試樣進行了多次回火處理，如圖4所示。結果發現多次回火和長時間保溫會降低鋼的強度。從圖4可以看出，對于GX12鑄鋼，抗拉強度和屈服強度下降約100 MPa；而對于GP91鑄鋼，抗拉強度下降40 MPa，屈服強度下降約60 MPa。

為了驗證多次回火會降低9%～12%Cr鑄鋼的強度這個觀點，筆者對歐洲開發的620℃等級新型9%～12%Cr鑄鋼CB2材料進行多次熱處理試驗。結果表明，經多次回火后，CB2的抗拉強度下降約30 MPa，屈服強度下降約50 MPa。

因此，在制定9%～12%Cr鑄鋼件材料標準時必須充分考慮這一點。同時，這也對同樣成分的9%～12%Cr鋼，鑄鋼技術條件中對強度要求通常低于9%～12%Cr鍛鋼給出了解釋。

圖4　多次熱處理對9%～12%Cr鑄鋼件強度的影響[9]

對于熱處理對鎳基合金性能的影響仍在研究之中。

2.3檢測方法

相對低合金鑄件而言，9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件的晶粒度較為粗大，從而增加了超聲檢測的難度。因此，為了增強9%～12%Cr鋼鑄件的超聲可探性，在鑄造完成后，要對鑄件進行充分的擴散退火處理，以消除偏析，使組織均勻化，進而在性能熱處理后獲得均勻細小的晶粒。

鎳基合金鑄件晶粒非常大，甚至超過1 mm，已經無法采用傳統的超聲波方法檢測鑄件內部的質量。因此，國內外均在研究能夠檢測厚壁鑄件內部質量的方法，比如歐洲采用的X射線檢查。

2.4焊接工藝

對于采用低合金鋼制造的汽缸、閥殼等鑄件的焊接，由于合金化程度較低，相應的焊接材料的成分也相對簡單，因此，無論是補焊，還是結構焊接，焊接工藝要求相對簡單，也易于掌握。但是對于9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的焊接，由于鑄件的合金成分復雜，焊接材料的成分也相應的更為復雜，焊前還必須預熱至較高的溫度，通常要求在200℃以上，否則容易出現焊接裂紋等缺陷，焊接工藝要求也更為復雜。另外，還要考慮9%～12%Cr鋼與低合金鋼的異種金屬合金焊接問題。

鎳基合金鑄件的焊接難度更大，目前國內外仍在進行深入的研究。比如，歐洲采用SMAW、FCAW、EBW等工藝開展了625合金之間的同種材料焊接以及625合金與CB2(9Cr鋼)的異種材料焊接研究。

3我國超超臨界汽輪機用高溫鑄件材料發展趨勢

3.1進一步完善各類9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件的制造工藝

雖然伴隨著我國汽輪機主機廠先進鑄件材料的引進過程，國內鑄造廠在冶煉、熱處理等設備方面已經達到世界先進水平，而且也已經能夠制造各類9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件產品，比如汽缸、閥殼、隔板套等等，這些產品也已經在國內超超臨界機組中有了多年的應用業績。但是，如前所述，9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件在冶煉、澆注、熱處理、焊接、無損檢測等制造工藝方面與傳統的低合金鋼有著非常大的區別。與國外鑄造廠相比，我國的鑄造廠在9%～12%Cr鋼汽缸、閥殼等大厚壁鑄件制造經驗方面還有很大差距，鑄件產品的質量穩定性較差，個別性能指標，比如短時持久性能、沖擊韌性等，還常常達不到標準要求。因此，國內的鑄造廠今后應在冶煉、澆注、熱處理、焊接等制造工藝方面進行更加深入的研究，提高產品的質量及其穩定性。

3.2加強鎳基合金鑄件的研發力度

與9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼相比，鎳基合金鑄件的制造難度更大，還需進行大量的研究工作，比如10 t級及以上鎳基合金鑄件的大型化研究，大型鑄件的同種和異種金屬焊接技術研究，檢測方法及缺陷評定技術研究等。

4建議

由于我國的汽輪機技術自誕生之日起就是以引進為主，特別是進入21世紀以來，隨著國家電力事業的蓬勃發展，國內三大主機廠在國家宏觀政策的指導下，分別引進了不同國家和公司的超臨界、超超臨界技術。然而，對于汽輪機材料而言，由于其是汽輪機制造企業的核心技術之一，因此各個汽輪機制造商都有自己的材料體系。由于國內三大主機廠引進的是國外不同公司的汽輪機技術，因此，采用的汽輪機材料也是不同的體系。

然而，由于同一參數條件的汽輪機對材料的性能要求是相似甚至是一樣的，各個材料體系的材料在成分上雖然不同，但是對于同一類材料，比如9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼，各個公司的材料性能要求是相當甚至是一致的。這不但提高了主機廠的采購成本和難度，也大大增加了鑄造廠的制造成本、難度和制造周期。眾所周知，研發一種新材料需要耗費大量的人力、物力和財力，對于9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼及鎳基合金等成分非常復雜的材料，其研發成本更是非常巨大，基于我國材料技術基礎研發相對薄弱的現實情況，有必要對國內現有的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼種進行優化選擇，對每一參數等級的汽輪機確定一種或兩種9%～12%Cr耐熱鋼和鎳基合金進行深入廣泛的研究，為提高鑄造廠的產品質量穩定性和主機廠的自主設計奠定堅實的材料基礎。

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編輯杜青泉

試驗研究

Development Trend of Materials for High Temperature

Castings of Ultra Supercritical Steam Turbine in China

Tian Yu, Peng Jianqiang, Wei Shuangsheng, Zhao Yihan

Abstract：The development status of materials for high temperature castings of foreign steam turbine has been discussed. Meanwhile, the difference of manufacturing process between 9%~12%Cr ferritic heat-resisting steel and nickel base alloy castings and low content alloy castings has been analyzed and compared. Eventually, the development trend of materials for high temperature castings of ultra supercritical steam turbine in China has been pointed out.

Key words：9%~12%Cr ferritic heat-resisting steel; nickel base alloy; ultra supercritical; castings of steam turbine

作者簡介：田宇，工程師。電話：13664607811

收稿日期：2015—07—20

中圖分類號：TG142.73

文獻標志碼：A