700℃超超臨界火力發電機組高溫壓力管道用材研究進展

趙 遠，岳庚新

(天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津300384)

700℃超超臨界火力發電機組高溫壓力管道用材研究進展

趙 遠，岳庚新

(天津誠信達金屬檢測技術有限公司，天津300384)

介紹了美國、日本及歐洲等國家700℃超超臨界火力發電機組及壓力管道高溫用材的開發現狀，并對目前國際上700℃超超臨界火力發電機組較有競爭力的幾種鎳基合金候選材料進行了對比分析。結合我國在相關領域的研究情況，分析了目前我國700℃超超臨界火力發電機組研究中存在的問題。指出Inconel 740H鎳基合金的持久強度和抗腐蝕性能最好，但其焊接接頭的高溫長時性能研究尚不成熟，電站高溫合金材料的選擇和研發尚未完全解決，該問題仍將是世界各國的研究重點。

管道；700℃超超臨界；A-USC；高溫合金材料

隨著國民經濟的迅速發展，社會生活對電力的需求越來越大，而現代科技水平對綠色能源的開發遠不能滿足日益增長的能源需求。燃煤發電在我國電力能源結構中一直處于主導地位，燃煤發電是CO2的主要排放源，隨著資源的日漸消耗及環保要求的不斷提高，中國現在面臨著巨大的節能減排壓力[1-3]。因此，有效提高燃煤發電機組的熱效率，增加煤電轉化率，是我國乃至全世界應對全球氣候變暖、實現節能減排的重要措施。

燃煤發電機組蒸汽溫度的提高和壓力的增加可以顯著提高機組熱效率，尤其是溫度升高所產生的效果更為明顯，發電效率提高，單位電量的煤耗明顯減少。目前，我國600℃超超臨界火力發電機組已經大量投入運行。國家能源局于2010年7月就決定啟動更高參數的700℃先進超超臨界(A-USC)火力發電機組的研制，而世界各國也早已將更高參數的A-USC機組作為今后的發展方向[4-5]。但是，700℃ A-USC機組在設計和制造中有很多關鍵技術問題尚未解決，其中提高蒸汽溫度和壓力參數的同時對電站關鍵部件材料帶來了更高和更新的要求，尤其是材料的熱強性能、抗高溫腐蝕和氧化能力、冷加工和熱加工性能等[6]。由此可見，材料和制造技術是發展先進火力發電機組的技術核心。

1 國外開發現狀

歐盟、美國以及日本等多個國家對700℃超超臨界電站的研究較早，現已取得了一定的科研成果。我國在該相關領域的研究尚處于起步階段，對高溫材料的選擇及研發將被列為整個研發計劃的首位。同時，世界各國對高參數機組的研究計劃及研究進展情況也為我國下一步的研發工作提供了參考[7]。

1.1 歐盟

歐洲在高溫材料方面發展較早，目前已取得了一定的成果。歐盟于1998年1月正式啟動了“AD700先進超超臨界發電計劃”，該計劃由40多個歐洲公司資助，擬用時長達17年之久，該項目的實施分為6個階段。歐盟AD700項目時間安排見表1。歐盟AD700項目中對于關鍵部件的選材也較為謹慎，例如主蒸汽、過熱器及再熱器管道等，其主要采用鎳基高溫合金，而材料的研究工作也集中于高溫長期運行部件的蠕變性能、煙氣和蒸汽腐蝕氧化、熱疲勞性能和厚壁部件的生產、焊接能力等。歐盟國家將Inconel 617(54Ni-22Cr-1.2Co-9Mo-1Al-0.3Ti) 合金材料作為大直徑蒸汽管道的選材在示范工程中進行試用，但是在經過2.2萬h運行試驗后，焊接接頭及熱影響區中出現了35mm的裂紋，這跟鎳基合金大直徑管道的制造工藝不夠成熟有很大關系，由此也導致示范電站的投入運行時間被迫延遲[8]。

表1 歐盟AD700項目時間安排表

1.2 美國

美國能源部于2000年正式啟動了“Vision 21”計劃，其要求實現零排放，并將蒸汽參數大幅提高到760℃，目標是為了開發37.9MPa、723℃和760℃機組。在700℃的溫度下，美國的高硫煤種會導致電站鍋爐管煙氣側的腐蝕非常嚴重，經研究表明，煙氣腐蝕在600～675℃范圍內最嚴重，溫度超過725℃時腐蝕會大幅降低。因此，對于美國而言，760℃的設計目標符合其現狀，且這種鍋爐設計無論從整體還是滿足美國市場的特殊性方面都有很大的優勢，其熱效率也能達到47％左右[9]。

美國對于高參數機組的研究工作始終以新材料研發作為首要任務，分別從高溫力學性能、抗氧化和抗腐蝕性能、制造成型性能及焊接性能等多個方面對合金材料進行評估，其持久性能試驗將長達4萬h之久。目前，美國760℃A-USC計劃正處于研究階段，現已完成732℃、760℃、35MPa和7.5MPa的750MW機組的可行性分析，效率達到46％(HHV)，再次再熱機組為48％(HHV)，但該項目的研究內容僅局限于鍋爐材料研究[10]。就目前來看，美國已計劃于2015—2016年開始設計600MW的樣板電廠，2017年建設示范電廠。

1.3 日本

日本由于能源匱乏，在燃煤火力電站的發展過程中都是采用“引進、消化及吸收”的策略，這導致日本在高參數機組開發階段比較滯后。但日本一直非常重視高效燃煤發電技術，于2008年正式推出了“先進的超超臨界壓力發電(A-USC)”項目，該項目規劃用9年時間完成，且日本擬于2015年實現35MPa、700℃和720℃的開發目標，于2020年實現750℃、700℃超超臨界產品的開發目標[9]。

目前，日本對于700℃A-USC機組的建設開發正處于研究階段，對電站機組的選材較為謹慎，為了保證機組中高溫材料長期服役的可靠性，其對高溫高壓段的關鍵材料均進行長期持久試驗，且計劃試驗時間不低于3萬h[11]。日本700℃A-USC機組關鍵部件候選材料已基本確定，但機組的最終選材仍在試驗評估中。

2 重要高溫壓力管道部件選材分析

國際上對700℃超超臨界鍋爐管材的基本要求是：①材料的10萬h持久強度不低于100MPa；②20萬h的管壁截面腐蝕損失不大于2mm。由此可見，傳統的鐵素體和奧氏體耐熱鋼已經無法滿足要求。有分析認為，對于蒸汽參數達到35MPa和過熱及再熱蒸汽溫度為700℃、720℃的超超臨界機組，其過熱器、再熱器、主蒸汽管道、再熱蒸汽管道和集箱必須采用鎳基合金材料。目前，在國際上具有競爭力的700℃A-USC機組候選鎳基合金主要有 Inconel 617、Inconel 740、Inconel 740H、GH 2984、Haynes 230等。幾種高溫合金的主要化學成分及持久強度見表2和表3。

表2 幾種高溫合金的主要化學成分％

表3 幾種高溫合金的持久強度

2.1 Inconel 617

Inconel 617合金是原國際鎳合金公司1975年開發出來的固溶強化型高溫合金，具有較高的蠕變強度和優越的耐高溫氧化能力。在700℃A-USC機組中，Inconel 617合金主要被用于鍋爐過熱器、再熱器、集箱和主蒸汽管道，歐盟AD700項目中也選用Inconel 617合金作為主蒸汽管道用材。但Inconel 617合金管道經過長期時效會產生焊接裂紋，且Inconel 617合金中由于Mo含量較高，會導致該類管道的抗煙氣腐蝕及沉積硫酸鹽腐蝕的能力相對較弱[12]，從而使得Inconel 617合金作為700℃A-USC機組中工作環境惡劣、高溫強度要求高的過熱器及再熱器管材也稍顯不足。因此，Inconel 617合金是否可以安全地應用于700℃A-USC機組的高溫段管材還有待考核。

2.2 Inconel 740

Inconel 740合金是美國Special Metals公司在Nimonic 263合金的基礎上通過其抗腐蝕性而開發出來的。 Inconel 740合金在700～800℃溫度范圍的長期持久性能曲線中，其平直的趨向沒有出現急劇的彎折，在750℃經過1萬h的持久強度仍可以達到100MPa以上，這說明Inconel 740合金高溫長期持久性能較好。但有研究表明，Inconel 740合金在高溫長期時效過程中，組織穩定性方面存在析出γ′相，在750℃、760℃時長大較快，晶界和晶內η相的析出和晶界G相的形成等問題，影響了組織穩定性[13]。同時，Inconel 740合金在厚壁部件的焊接性上還有待于改進。

2.3 Inconel 740H

Inconel 740H合金是由北京科技大學相關課題組與美國SMC合作，針對Inconel 740合金的組織不穩定性及厚壁部件焊接性能等問題進行的改進研究，最終開發出組織穩定、性能優良的新合金。

Inconel 740H合金不僅保持了Inconel 740合金的強化因素，還增加了組織穩定性，即使在750℃時效5 000h后，晶內 γ′相的尺寸仍為110mm左右，且沒有大塊的G相生成，同時也未發生γ′相向η相的轉變，合金性能更加優良，沖擊性能與Inconel 740相比也得到了明顯改善[14]。

綜合多種高溫合金材料在高溫長期持久強度、抗蒸汽及煤灰腐蝕性能、長期組織穩定性、管材成型性能等因素分析，可以認為Inconel 740H是目前過熱器與再熱器管材首選的候選材料。

2.4 GH 2984

GH 2984合金是中科院沈陽金屬所在20世紀70年代研制成功的，是我國高參數艦船新型主鍋爐過熱器管材長期使用的一種經濟型Fe-Ni基變形高溫合金。GH 2984合金組織性能穩定，能連續在650～700℃環境下使用幾萬小時，其較高的Cr含量提高了抗氧化腐蝕性能，同時其合金成分中不含Co，相比含Co的鎳基合金價格低廉。但經研究發現，GH 2984合金在高溫條件下的持久性能較低，在750℃、10萬h的持久性能小于100MPa。因此，若要滿足700℃機組過熱器及再熱器部件的要求，其高溫持久性能、抗氧化腐蝕性能都需要進一步提高。目前，中科院沈陽金屬研究所也正針對此問題對GH 2984合金進行改型研究。

3 國內發展狀況

3.1 700℃A-USC機組開發現狀

我國從1993年開始研究超超臨界發電技術，目前，已經能成熟生產600℃超超臨界發電機組，并成功開發了600℃和625℃兩個溫度等級的先進鐵素體材料。2010年，成立了700℃AUSC燃煤發電技術創新聯盟，開始了700℃超超臨界燃煤發電技術的自主研發之路。

國家能源局于2011年正式啟動了“700℃超超臨界燃煤發電關鍵設備研發及應用示范”項目[5]。目前，我國對于700℃A-USC機組的開發已基本確定起步壓力參數為35～37.5MPa，溫度為700℃/720℃，工作仍將以新型高溫材料的研發為主。

3.2 面臨的主要問題

我國對于700℃A-USC燃煤發電技術的研究工作起步較晚，而研發階段也暴露出了一定的問題，主要表現為研究機構分散、試驗裝置技術落后以及材料基礎研究薄弱。

目前，我國各大生產廠商、研究院所及高校等對于相關領域的研究工作較為分散、不系統，存在著相互保密、不公開等問題，且很多研究機構研究裝置和技術跟不上國際的步伐，這遠遠不能滿足700℃超超臨界高端產品的要求。

與歐盟、美國等相比，我國在高溫材料的研究方面經驗不足，而電站高溫材料從研發到工程應用需要一段很長的周期，不僅要實現材料的國內制造，還要掌握國產材料的組織性能變化，特別是長時高溫下的性能，這會延長新材料的應用推廣時間，對我國新材料領域的研究工作也帶來了一定的困難。

4 結 論

(1)歐美等國家對該領域研究涉入較早，且在700℃A-USC電站的開發中都有了一定的成果，但電站高溫合金材料的選擇、研發都未能完全解決。因此，700℃A-USC機組的高溫合金材料仍將是世界各國的研究重點。

(2)綜合對比幾種700℃A-USC機組候選高溫合金，認為Inconel 740H的持久強度和抗腐蝕性能最好，但其焊接接頭的高溫長時性能研究尚不成熟，仍需進一步試驗研究。

(3)我國對700℃A-USC機組的研究仍處于起步階段，需要對暴露出的多種問題及時進行糾正，還要多吸收歐盟及其他國家在相關領域的研究經驗，盡早實現高參數機組的自主開發。

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Research Progress of High Temperature Pressure Material Used for 700℃Ultra-supercritical Coal-fired Power Unit

ZHAO Yuan,YUE Gengxin
(Tianjin Chengxinda Metal-Testing Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)

In this article,it introduced 700℃ultra-supercritical coal-fired power unit of USA,Japan and Europe and other countries,as well as the development status of high temperature pressure pipe material.It also conducted comparative analysis for several competitive nickel-based alloys materials of 700℃ultra-supercritical coal-fired power unit.Combined with research situation in the relevant field,it analyzed the existing problems in 700℃ultra-supercritical coal-fired power unit in China.It pointed that the enduring strength and corrosion resistance of Inconel 740H nickel-based alloy are the best,but the high temperature long time performance research of its welded joint is immature,the selection,research and development of power station high temperature alloy material has not yet been completely solved,the problem will continue to be a research focus in various countries in the world.

pipeline;700℃ultra-supercritical;A-USC;high temperature alloy material

TG113.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.006

趙 遠(1988—)，男，碩士，主要從事無損檢測新技術及金屬材料組織性能控制研究。

2016-02-23

李 超