超超臨界鍋爐管道用鋼的研究現狀與發展趨勢

張書輝，冉堅強

（六盤水市特種設備檢驗所，貴州 六盤水 553000）

0 引言

我國是一個煤炭大國，現階段，火力發電是我國提供電力的主要方式，其次是水力發電和風力發電，在未來較長的一段時間內，火力發電仍將占主導地位。近年來，全球能源危機變得越來越嚴重，煤炭作為火力發電的主要燃料，供應日益短缺，因此包括節能減耗在內的環境保護已成為各行各業的主流思想。在當前的情況下，超超臨界燃煤技術更加適用，其技術經過長期的發展已經較為成熟，具有良好的可行性[1]。

在超超臨界電站鍋爐、管道和壓力容器領域，對鋼的要求很高。對于鍋爐領域來說，其所用鋼材的發展十分迅速。開展超超臨界電站建設時，還存在著大量亟待解決的問題，為了保障其運行的安全性，應當采用高質量的材料。隨著鍋爐運行參數的提升，迫切需要開發具有高溫強度和抗氧化、抗腐蝕性能的材料。特別是鍋爐中溫度最高的過熱器以及再熱器管道，對高溫強度和抗氧化、抗腐蝕性能要求更高。并且，需要注意的是，提高鍋爐的效率會對煙霧的排放產生影響，主要體現在減少碳化物、硫化物以及氮化物氣體的排放量上，有利于保護大氣。所以，為了更好地實現我國所提出的減排節能目標，應當進一步發展超超臨界電站鍋爐，促進其參數值不斷提升[2]。本文主要介紹了超超臨界電站鍋爐以及管道用鋼的研究現狀以及未來發展亟需解決的問題。

1 超超臨界電站的發展

在過去的一個時期里，因為世界范圍內環境逐漸惡化，使得各國也有了更加強烈的環保意識，從而形成了更高的關于降低固體廢棄物與溫室氣體排放量的呼聲。隨著能源問題日益嚴重，火力發電面臨著雙重壓力。因此，世界各國一直競相開發燃煤效率更高的超超臨界發電站。

在逐漸地提高燃煤電站的相關參數之后，也將相應地增大其發電效率，此外，機組類型將會從之前的普通高壓機組而逐漸地變成超臨界機組。在相同的條件下，超超臨界機組不僅節約能源，而且減少污染排放，表現出節能減排的顯著優勢。現在，包括日本與歐美等發達經濟體均致力于研究開發超超臨界燃煤領域的新技術，而且針對此制定了各自的發展規劃，目的是更好地將高壓及高溫環境條件之下應用的新鋼種研發出來，并取得良好的應用[3]。

總而言之，環境與能源共同地推動燃煤發電機組的發展，使之逐步地過渡到超超臨界機組，在此過程中，高性能的高溫材料則會起到非常重要的作用，其技術創新必然有助于進一步提升超超臨界電站的相關運行參數。

2 超超臨界電站鍋爐用奧氏體耐熱鋼的發展

2.1 鍋爐用奧氏體耐熱鋼的性能要求

對于超超臨界電站鍋爐來說，處于高壓高溫狀態的蒸汽將會先通過水冷壁，然后為過熱器與再熱器管，并且先后通過集熱箱與主蒸汽管道，在此過程中，其壓力與溫度將會不斷上升。為了確保上述部件能夠安全有效地工作，應當采用高溫力學性能良好的合金或是耐熱鋼。研究發現，該領域所用的高溫承壓部件所需具備的主要性能如下所述：①常溫力學性能：材料應當具有良好的沖擊韌性、屈服強度與抗拉強度；②高溫性能：應具有較高的高溫組織穩定性、抗蠕變性與高溫持久強度等；③化學性能：材料應當具有較高的抗蒸汽腐蝕與抗氧化性能；④工藝性能：采用應有較高的熱彎曲、焊接以及熱加工等方面的性能；⑤物理性能：具有較高的導熱性能與比較小的熱膨脹系數；⑥良好的經濟性：所選材料應有較高的性能價格比[4]。

現在，在各國的600℃蒸汽超超臨界電站鍋爐當中，使用比較多的是奧氏體耐熱鋼材料。

2.2 奧氏體耐熱鋼的發展

經近40年的研究，通過添加以及優化合金元素，調整強碳化物形成元素Ti和Nb，此外還需對C與Mo兩種元素的含量進行調整，從而進一步提升抗氧化及高溫強度等性能，進行各種牌號18Cr-8Ni型奧氏體耐熱鋼的全面開發，逐步完成者25Cr-20Ni型的改型工作，且有效地應用于再熱器和過熱器等重要部件當中[5]。然而，由于蒸汽參數逐漸增加，之前所用的18Cr-8Ni型耐熱鋼材料已經難以適用于新的工作環境，所用需要逐漸地選擇具有更高Cr含量的25Cr-20Ni型奧氏體耐熱鋼材料，以提升運行的效率。

在當前該類鍋爐所用再熱器管及過熱器當中，所用材料均是25Cr-20Ni型及18Cr-8Ni型的衍生材料，考慮到進一步增加高溫強度的問題，而加入了適量Nb元素與數量比較少的N元素，在某些鋼中添加了W、Mo、V和B元素，甚至在某些鋼中添加了一些Cu元素，以形成優異的富Cu相強化效果。現在，HR3C、Super304H與 TP347H等型號的新材料正是基于該思想而得以開發出來，且取得了良好的應用成效。

3 超超臨界電站鍋爐用新型不銹鋼的發展

現階段，國內正在運行或是在建超超臨界電站均采用600℃的蒸汽溫度值，所以，對于其中的再熱器及過熱器管道來說，所用材料的工作溫度應當達到650℃。相應地，在全面地考慮鍋爐成本、主要性能及工作條件等因素的基礎上，主要選用了HR3C、Super304H與 TP347H等奧氏體耐熱不銹鋼材料。

3.1 TP347H/TP347HFG耐熱鋼

目前，TP347H型號耐熱鋼材料已經被大量地應用于再熱器和過熱器管道當中，主要是基于18Cr-9Ni材料，并將適量Nb添加進去，從而形成NbC金屬間化合物來作為重要的強化相，因此被認為是非常重要的一種高溫金屬材料。分析發現，因為采用比較低的冷軋溫度，同時變形加熱過程中僅有比較短的停留時間，因此不會顯著地影響到制管工藝可能導致的NbC化合物析出數量。所以，如果采用合理的熱加工及熱處理工藝技術，將有可能使該型號的材料實現晶粒細化，甚至可達ASTM8級或更高，開發出性能優良的TP347HFG新鋼種，其原理如圖1所示，也就是基于現在的工藝技術，將軟化處理工藝加入，此時其溫度是超過固溶溫度的。

我國有研究人員在該工藝技術的基礎上，全面地探討了各種晶粒度條件之下TP347HFG材料的高溫氧化行為及機理，在圖2中給出了該材料在水蒸氣溫度為650℃時被氧化共計1000h以后樣品氧化層當中的微觀形貌特征[6]。可以發現，如果在該材料中的晶粒尺寸越均勻且有更小的晶粒度，則可形成薄且均勻的氧化層，此外，在它和基體間將會出現連續性較高的深褐色愈合層，從而使材料的氧化速率顯著減小。

于鴻垚等通過透射電鏡研究了TP347H鋼在650℃下時效后顯微組織的變化規律，發現微米級尺度的碳化物在整個時效過程當中，其尺寸比較穩定，而在進行了較長時間的時效處理之后，將出現尺寸大約為幾十個納米大小的富Nb碳化物沉淀相，它們均布于晶粒當中，有著良好的穩定性，所以使鋼材具有良好的持久強度[7]。

3.2 Super304H耐熱鋼

現在，該型號的不銹鋼材料已經比較廣泛地應用在超超臨界電站鍋爐當中。它是在ASME SA-213 TP304H的基礎上開發的。在適當地減少Mn含量的基礎上，再添加0.45%含量Nb與3%含量Cu元素，此外還需少量N元素。需對該材料進行高溫軟化處理，并且在超過1150℃的溫度之下進行金屬材料的固溶處理，最終可形成單一奧氏體組織，具有超過7級～8級的晶粒尺寸。此外，還進行內表面的噴丸處理，從而使尺寸為幾十微米大小的細晶粒區形成在表面區域中，所以進一步提升了材料的抗氧化性能。實際使用的時候，在奧氏體晶粒內部將會有細小富銅相析出來，再和其它的第二相顆粒共同作用而提升強化的整體效果。對于該類耐熱鋼材料而言，因為形成均勻分布的銅相顆粒，從而起到了顯著的增強作用，極大地提升了工作溫度環境之下的許應力。測試結果表明，在650℃溫度時該材料的許用應力值超過TP347H材料31%，而在700℃的溫度下，該材料許用應力值超過TP304H材料大約90%。在650～700℃時的蠕變強度是傳統TP304H奧氏體鋼的1.7～1.9倍，是TP347H奧氏體鋼的1.3～1.5倍。材料的抗蒸汽氧化性能接近于TP347HFG材料，比TP321H的性能更高。對于TP347H與TP304H材料，耐蒸汽氧化性與耐高溫腐蝕性得以改善，具有更好的性能價格比與焊接性能[8]。

3.3 HR3C耐熱鋼

在工作溫度提高的超超臨界電站中，過熱器和再熱器的高壓水蒸氣對金屬的氧化腐蝕更加嚴重，為此，在過熱器和再熱器的這一段高溫中必須使用耐熱鋼，具有較高的耐熱性。因為焊接性、高溫蠕變性與抗氧化腐蝕性均更高，已經將高含量的Cr元素及Ni元素HR3C耐熱鋼材料視作為非常重要的候選材料之一。它最初由日本住友研發出來，且逐步推向市場。它在25-20型奧氏體耐熱鋼TP310H的基礎上增加了0.20%～0.60%Nb和0.15%～0.35%N，這大大提高了材料的高溫強度，同時具有很高的抗氧化性和良好的高溫強度。主要的組成特點就是提高Cr元素的質量百分比為25%，而且提高Ni元素的含量至20%。所以，在經過了長時間的使用之后，其中的Cr元素將會逐漸地擴散至材料的表面區域，而且和氧發生反應并形成致密度較高的氧化層，提升了材料的抗氧化性能。相較于TP347HFG與Super304H等材料，由于HR3C的鉻質量百分比為25%，因此其耐蒸汽腐蝕性顯著更好。所以對該類不銹鋼材料來說，無需增加額外的要求而加至八級或更高晶粒度等級，或者說，在管道成形工藝過程當中，其晶粒度保持1～2級，在超超臨界再熱器以及過熱器等管道的應用領域當中具有良好的發展潛質[9]。

4 結論

大力發展超超臨界電站是中國電力工業的發展方向。在世界火力發電廠不斷升級的情況下，我國已大量建設并投入運行600℃的超超臨界火力發電廠，這需要大量的新型高強度奧氏體耐熱鋼。為進一步促進超超臨界電站的性能提升與發展，應當繼續做好新型奧氏體耐熱鋼材料的深度研究開發工作。對于比較常見耐熱鋼材料如HR3C、Super304H與TP347H來說，它們均會受到第二相強化作用的顯著影響，其中富銅相的作用尤其重要，可以起到較大的析出強化作用，從而使材料可在高溫環境中同樣保持較高的蠕變強度。現在，這些主要的奧氏體耐熱鋼材料均通過合理的工藝而提升了高溫性能，為了更加有利于進一步增加超超臨界電廠的運行參數，應當適當提高材料當中的Cr元素與Ni元素的占比，并通過多次合金化，形成MX相、富Cu相以及M23C6和NbCrN復合增強材料，并依靠合理的冷熱成型和加工技術，確保合適的晶粒度和表面質量，提升材料的抗氧化性，且促進其高溫強度的提高。