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1、超临界机组金属材料本讲稿第一页，共三十一页一、超临界机组材料的发展一、超临界机组材料的发展 大力发展超临界机组是优化我国电源结构和实现节能减排大力发展超临界机组是优化我国电源结构和实现节能减排战略目标的重要措施之一。技术瓶颈是锅炉钢、叶片钢、转子战略目标的重要措施之一。技术瓶颈是锅炉钢、叶片钢、转子钢等高端耐热钢制造技术。钢等高端耐热钢制造技术。1.1.材料技术在超临界发电技术中的作用材料技术在超临界发电技术中的作用uu国际上超超临界机组温度参数多在国际上超超临界机组温度参数多在566566620620间，压力分间，压力分为为25MPa25MPa，27MPa27MPa，30.31MPa30.3
2、1MPa三个级别。三个级别。本讲稿第二页，共三十一页锅炉钢锅炉钢uu高温强度高温强度对于主蒸汽管道、过热器、再热器管、联箱、水冷壁等材料都必须有对于主蒸汽管道、过热器、再热器管、联箱、水冷壁等材料都必须有高温持久强度。高温持久强度。uu高温腐蚀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，烟气腐蚀将大幅度上升。因素，当金属温度提高，烟气腐蚀将大幅度上升。uu蒸汽侧的氧化蒸汽侧的氧化运行温度的提高加剧了过热器、再热器、联箱、管道等蒸汽通流部件的运行温度的提高加剧了过热器、再热器、联箱、管道等蒸汽通流部件的
3、蒸汽侧氧化，导致三种后果。蒸汽侧氧化，导致三种后果。氧化层的绝热作用引起金属超温氧化层的绝热作用引起金属超温氧化层的剥落在弯头等处堵塞引起超温爆管以及阀门泄漏氧化层的剥落在弯头等处堵塞引起超温爆管以及阀门泄漏剥落的氧化物颗粒对汽轮机前级叶片的冲蚀剥落的氧化物颗粒对汽轮机前级叶片的冲蚀本讲稿第三页，共三十一页uu热疲劳性能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，对于主蒸汽管道、联由于机组启停、变负荷和煤质波动引起的热应力，对于主蒸汽管道、联箱、阀门等厚壁部件有重要影响。材料的抗热疲劳性能是与高温强度箱、阀门等厚壁部件有重要影响。材料的抗热疲劳性能是与高温强度同等重要的指标，所以应该
4、在保证强度的前提下尽可能选择热导率高同等重要的指标，所以应该在保证强度的前提下尽可能选择热导率高的和热膨胀系数低的铁素体耐热钢。的和热膨胀系数低的铁素体耐热钢。本讲稿第四页，共三十一页汽机钢汽机钢 转子、叶片以及其它旋转部件承受巨大的离心力，运行参数转子、叶片以及其它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的要求，而汽缸、阀的提高对耐热钢的热强性能提出了更高的要求，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、在蒸汽环固件需要有更高的拉伸屈服强度和蠕变松弛
5、强度、在蒸汽环境下的抗应力腐蚀能力以及足够的韧性、塑性以及避免蠕变境下的抗应力腐蚀能力以及足够的韧性、塑性以及避免蠕变裂纹的形成。裂纹的形成。本讲稿第五页，共三十一页厚壁部件用钢厚壁部件用钢uu机组的启停、变负荷与煤质的波动要求厚壁部件如转子、缸体、机组的启停、变负荷与煤质的波动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。阀门材料有低的热疲劳和蠕变疲劳敏感性。uu对再热蒸汽温度高于对再热蒸汽温度高于593593的低压转子还必须考虑材料在该温度的低压转子还必须考虑材料在该温度范围内的回火脆性。范围内的回火脆性。本讲稿第六页，共三十一页2.2.低合金钢（低合金钢（1-31-3C
6、rCr）的发展）的发展uu含铬大于含铬大于1414的低碳铬不锈钢，含铬大干的低碳铬不锈钢，含铬大干2727的任何含碳量的铬不的任何含碳量的铬不锈钢，以及在上述成分基础上再添加有钼、钛、铌、硅、铝、锈钢，以及在上述成分基础上再添加有钼、钛、铌、硅、铝、钨、钒等元素的不锈钢，化学成分中形成铁素体的元素占绝对优钨、钒等元素的不锈钢，化学成分中形成铁素体的元素占绝对优势，基体组织为铁素。这类钢在淬火（固溶）状态下的组织为铁势，基体组织为铁素。这类钢在淬火（固溶）状态下的组织为铁素体，退火及时效状态的组织中则可见到少量碳化物及金属间化素体，退火及时效状态的组织中则可见到少量碳化物及金属间化合物。合物。属
7、于这一类的有属于这一类的有Crl7Crl7、Cr17Mo2TiCr17Mo2Ti、Cr25Cr25，Cr25Mo3TiCr25Mo3Ti、Cr28Cr28等。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能等。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。结构及作抗氧化钢使用。uu（铁素体耐热钢，低的热膨胀系数和高的热导率）低合金钢在火电厂（铁素体耐热钢，低的热膨胀系数和高的热导率）低合金钢在火电厂锅炉中作为压力部件得到了大量应用，特别是过热器、再热器的低温锅
8、炉中作为压力部件得到了大量应用，特别是过热器、再热器的低温区域以及水冷壁，在联箱和管道中应用也比较普遍。区域以及水冷壁，在联箱和管道中应用也比较普遍。本讲稿第七页，共三十一页关键的性能要求包括：关键的性能要求包括：1 1）450450以下良好的抗拉强度（以下良好的抗拉强度（120MPa120MPa）；）；2 2）550550以下的持久强度；以下的持久强度；3 3）无需焊后热处理的优异焊接性能；）无需焊后热处理的优异焊接性能；4 4）良好的蒸汽氧化性能；）良好的蒸汽氧化性能；5 5）通过堆焊或喷涂获得优异的抗烟气腐蚀性能。）通过堆焊或喷涂获得优异的抗烟气腐蚀性能。本讲稿第八页，共三十一页 长期以
9、来这类钢中的主力钢种包括锅炉材料长期以来这类钢中的主力钢种包括锅炉材料P11P11、P22P22以及以及12Cr1MoV12Cr1MoV等和汽轮机材料等和汽轮机材料1CrMoV1CrMoV。住友金属开发了住友金属开发了T/P23T/P23，通过在，通过在T22T22基础成分中以基础成分中以W W取代部分取代部分MoMo并添加并添加铌铌 NbNb、V V提高蠕变强度，降低了提高蠕变强度，降低了C C提高焊接性能，同时加提高焊接性能，同时加入微量入微量B B提高淬透性以获得完全的贝氏体组织。提高淬透性以获得完全的贝氏体组织。欧洲开发了欧洲开发了T24/P24T24/P24，其合金化特点是通过，其合
10、金化特点是通过V V、TiTi、B B的多元微合金的多元微合金化提高蠕变性能。化提高蠕变性能。T23T23在在550550的许用应力接近的许用应力接近T91T91，600600的蠕变的蠕变强度比强度比T22T22高高93%93%，T24T24的高温强度还要略高一些。这两种钢具有优的高温强度还要略高一些。这两种钢具有优异的焊接性能，无需焊后热处理即可将接头硬度控制在异的焊接性能，无需焊后热处理即可将接头硬度控制在350-350-360HV10360HV10以下，因此适合作为超超临界机组的水冷壁材料，也可取以下，因此适合作为超超临界机组的水冷壁材料，也可取代代10CrMo91010CrMo910、
11、12Cr1MoV12Cr1MoV等材料作为亚临界机组的高温管道和联箱，等材料作为亚临界机组的高温管道和联箱，降低壁厚。降低壁厚。本讲稿第九页，共三十一页3.3.马氏体钢的发展马氏体钢的发展uu9-129-12CrCr马氏体钢是电厂中重要的一类材料，用于锅炉和汽马氏体钢是电厂中重要的一类材料，用于锅炉和汽轮机的许多部件，包括锅炉管、联箱、管道、转子、汽缸等。轮机的许多部件，包括锅炉管、联箱、管道、转子、汽缸等。uu对于锅炉用对于锅炉用9-129-12CrCr钢，主要的要求包括蠕变强度和运行温度下的钢，主要的要求包括蠕变强度和运行温度下的组织稳定性、高的组织稳定性、高的AC1AC1温度、良好的焊接
12、性能和低的温度、良好的焊接性能和低的IVIV型裂纹敏感型裂纹敏感性、抗蒸汽氧化能力、疲劳性能等。性、抗蒸汽氧化能力、疲劳性能等。uuT91/P91T91/P91钢是美国在钢是美国在8080年代开发的一种综合性能优异的年代开发的一种综合性能优异的9%Cr9%Cr钢，钢，目前在我国的亚临界和超临界机组中得到了广泛的应用。在目前在我国的亚临界和超临界机组中得到了广泛的应用。在P91P91的基的基础上通过以础上通过以W W取代部分取代部分MoMo获得了获得了T/P92T/P92和和E911E911（T/P911T/P911）两种新型）两种新型钢种。在钢种。在12%Cr12%Cr钢中通过相同的合金化思想
13、开发了钢中通过相同的合金化思想开发了P122P122，只是为，只是为了避免出现了避免出现铁素体，其中还加入了铁素体，其中还加入了1%Cu1%Cu。这三种钢高温强度。这三种钢高温强度比比P91P91都有不同程度的提高，是目前阶段的超超临界机组（蒸都有不同程度的提高，是目前阶段的超超临界机组（蒸汽温度汽温度620620）的联箱和高温蒸汽管道的主要材料。下一代的）的联箱和高温蒸汽管道的主要材料。下一代的9-129-12CrCr马氏体钢是在这三种钢的基础上进一步增加马氏体钢是在这三种钢的基础上进一步增加W W含量并添加含量并添加CoCo，即，即NF12NF12和和SAVE12SAVE12等，预计可以用
14、到等，预计可以用到650650。本讲稿第十页，共三十一页uu在汽轮机的转子、叶片、汽缸和阀体中对这类材料的性能要求包括：在汽轮机的转子、叶片、汽缸和阀体中对这类材料的性能要求包括：低周疲劳性能、蠕变强度、第的应力腐蚀敏感性、铸造性能等等。低周疲劳性能、蠕变强度、第的应力腐蚀敏感性、铸造性能等等。uu普通的普通的12Cr12Cr钢作为钢作为565565以下汽机转子锻件具有足够的持久强度以下汽机转子锻件具有足够的持久强度和抗热疲劳性能以及韧性等。和抗热疲劳性能以及韧性等。9-12Cr9-12Cr汽机用钢的合金强化趋势汽机用钢的合金强化趋势与锅炉钢是类似的。与锅炉钢是类似的。本讲稿第十一页，共三十一
15、页uu英国的英国的12Cr0.5MoVNbN12Cr0.5MoVNbN（H46H46）是发展的基础。美国五、六十年代）是发展的基础。美国五、六十年代在在H46H46的基础上降低的基础上降低NbNb含量来降低固溶处理温度和保证韧性，并减少含量来降低固溶处理温度和保证韧性，并减少CrCr含量抑制含量抑制铁素体得到铁素体得到10.5Cr1MoVNbN10.5Cr1MoVNbN（GEGE）以及）以及GEGE调整型，调整型，同时还在同时还在12CrMoV12CrMoV基础上开发含基础上开发含W W的的12Cr%12Cr%转子用钢转子用钢AISI 422AISI 422，这些钢与这些钢与1.0CrMoV1
16、.0CrMoV相比具有更好的性能，其中相比具有更好的性能，其中GEGE钢在钢在565565的超的超临界机组成功应用了临界机组成功应用了2525年。日本在年。日本在H46H46基础上添加基础上添加B B开发了开发了10.5Cr1.5MoVNbB10.5Cr1.5MoVNbB（TAFTAF）用于燃气轮机涡轮盘和小型汽机转子。）用于燃气轮机涡轮盘和小型汽机转子。但在运行在但在运行在595595和和650650的超临界和超超临界机组中上述钢种的蠕的超临界和超超临界机组中上述钢种的蠕变强度尚不足。日本变强度尚不足。日本7070年代开发了年代开发了12Cr-MoVNb12Cr-MoVNb系列系列59359
17、3级别的级别的TR1100TR1100（TMK1TMK1）和）和TOS101TOS101和和12Cr-MoVNbWN12Cr-MoVNbWN系列系列620620级别的级别的TR1150(TMK2)TR1150(TMK2)和和TOS107TOS107，更高合金含量的，更高合金含量的12Cr-MoVNbW 12Cr-MoVNbW 系列钢系列钢TR1200TR1200和和12Cr-MoVNbWCoB12Cr-MoVNbWCoB系列钢系列钢TOS110TOS110则用于入口温度高于则用于入口温度高于630630的转子，其中的转子，其中TMK1TMK1和和TMK2TMK2已被用于日本已被用于日本5935
18、93以上的超临以上的超临界机组。界机组。本讲稿第十二页，共三十一页uu在欧洲也在在欧洲也在COST501COST501下开发了下开发了9.5Cr-MoVNbB9.5Cr-MoVNbB（COSTCOST“B B”）、）、10.5Cr-MoVNbWN10.5Cr-MoVNbWN（COSTCOST“E E”）和）和10.2Cr-MoVNbN10.2Cr-MoVNbN（COSTCOST“F F”）等一）等一系列转子用钢，这些钢的原型锻件已被用于理化分析和短时和系列转子用钢，这些钢的原型锻件已被用于理化分析和短时和长时力学性能测试，其中长时力学性能测试，其中COSTCOST“F F”和和COSTCOST
19、“E E”已应用于欧洲的超超已应用于欧洲的超超临界机组。临界机组。uu除了转子用钢，日本还开发了除了转子用钢，日本还开发了593593使用的汽缸材料使用的汽缸材料9.5Cr1MoVNbN9.5Cr1MoVNbN（TOS 301TOS 301）以及更高温度使用的）以及更高温度使用的9.5Cr0.5Mo2WVNbN9.5Cr0.5Mo2WVNbN（TOS 302TOS 302）和）和9.5Cr0.5Mo2WVNbNB3.0Co9.5Cr0.5Mo2WVNbNB3.0Co（TOS303TOS303）。欧洲相应地开发了）。欧洲相应地开发了G-X12CrMoWVNbN91G-X12CrMoWVNbN91
20、和和G-G-X12CrMoWVNbN 1011X12CrMoWVNbN 1011两种铸钢材料。两种铸钢材料。本讲稿第十三页，共三十一页4.4.奥氏体钢的发展奥氏体钢的发展uu奥氏体钢（热膨胀系数高、导热性能差、价格高）主要用于过奥氏体钢（热膨胀系数高、导热性能差、价格高）主要用于过热器、再热器。热器、再热器。uu所有奥氏体钢可以看作是由所有奥氏体钢可以看作是由18Cr8Ni18Cr8Ni（AISI 302AISI 302）基础上发展起）基础上发展起来的，分为来的，分为15Cr%15Cr%、18Cr%18Cr%、20-25Cr%20-25Cr%和高和高Cr-Cr-高高NiNi四类。四类。15Cr
21、%15Cr%系列奥氏体钢尽管强度很高但抗腐蚀性能差应用较少。系列奥氏体钢尽管强度很高但抗腐蚀性能差应用较少。uu目前在普通蒸汽条件下使用的目前在普通蒸汽条件下使用的18Cr%18Cr%钢有钢有TP304HTP304H、TP321HTP321H、TP316HTP316H和和TP347HTP347H，其中，其中TP347HTP347H具有最高的强度，通过热处理使其具有最高的强度，通过热处理使其晶粒细化到晶粒细化到8 8级以上即得到级以上即得到TP347HFGTP347HFG细晶钢，提高了蠕变强度细晶钢，提高了蠕变强度和抗蒸汽氧化能力，对于提高过热器管的稳定性起着重要的作和抗蒸汽氧化能力，对于提高过
22、热器管的稳定性起着重要的作用，在国外许多超超临界机组中得到了大量应用。用，在国外许多超超临界机组中得到了大量应用。本讲稿第十四页，共三十一页uu在在TP304HTP304H基础上通过基础上通过CuCu、NiNi、N N合金化得到合金化得到18Cr10NiNbTi18Cr10NiNbTi（Tempaloy A-1Tempaloy A-1）和）和18Cr9NiCuNbN18Cr9NiCuNbN（Super304HSuper304H），强度得到了提高，），强度得到了提高，经济性很好。经济性很好。20-25Cr%20-25Cr%钢和高钢和高Cr-Cr-高高NiNi钢抗腐蚀和蒸汽氧化性能很钢抗腐蚀和蒸汽
23、氧化性能很好，但相对于强度来说价格过于昂贵限制了其使用。但新近开发好，但相对于强度来说价格过于昂贵限制了其使用。但新近开发的的20-25Cr%20-25Cr%钢具有优异的高温强度和相对低廉的成本，包括钢具有优异的高温强度和相对低廉的成本，包括25Cr20NiNbN25Cr20NiNbN（TP310NbNTP310NbN）、）、20Cr25NiMoNbTi20Cr25NiMoNbTi（NF709NF709）、）、22Cr15NiNbN22Cr15NiNbN（Tempaloy A-3Tempaloy A-3）和更高强度级别的）和更高强度级别的22.5Cr18.5NiWCuNbN22.5Cr18.5
24、NiWCuNbN（SAVE 25SAVE 25），这些钢通过奥氏体稳定元素），这些钢通过奥氏体稳定元素N N、CuCu取代取代NiNi来降低成本。来降低成本。本讲稿第十五页，共三十一页5.Ni5.Ni镍基高温合金的发展镍基高温合金的发展uu高温合金早已用于航空领域，在目前的蒸汽发电机组中仅限用于叶片高温合金早已用于航空领域，在目前的蒸汽发电机组中仅限用于叶片和紧固件材料。在电力行业只有采用先进的高温度设计才会对这类材和紧固件材料。在电力行业只有采用先进的高温度设计才会对这类材料产生兴趣。如果蒸汽参数提高到料产生兴趣。如果蒸汽参数提高到700700以上，机组的许多部件将以上，机组的许多部件将只能
25、采用高温合金。包括定向凝固和单晶合金在内的只能采用高温合金。包括定向凝固和单晶合金在内的NiNi基合金正基合金正在进行评估应用在汽轮机中。在进行评估应用在汽轮机中。uu通常认为蒸汽温度通常认为蒸汽温度700700左右的超临界锅炉设计中将要求联箱左右的超临界锅炉设计中将要求联箱和主蒸汽管道在最高和主蒸汽管道在最高750750下工作，这远远超出了铁素体钢的下工作，这远远超出了铁素体钢的能力，而奥氏体钢的热疲劳问题也使得它们用于此厚壁部件不能力，而奥氏体钢的热疲劳问题也使得它们用于此厚壁部件不太可能。尽管蠕变强度的要求对太可能。尽管蠕变强度的要求对NiNi基高温合金来说不过分，但其基高温合金来说不过
26、分，但其它要求如焊接性能、成形性能和抗腐蚀性能不容易达到。在美国它要求如焊接性能、成形性能和抗腐蚀性能不容易达到。在美国和欧洲的最新研发计划中都在对高温合金的工艺性能、力学性能和欧洲的最新研发计划中都在对高温合金的工艺性能、力学性能进行评估。进行评估。本讲稿第十六页，共三十一页二、国内的材料技术基础二、国内的材料技术基础uu国内近几年开始研究超超临界机组的相关技术，并有数台机组国内近几年开始研究超超临界机组的相关技术，并有数台机组开始投入建设，由于煤电将在很长时间内在我国占主导地位，开始投入建设，由于煤电将在很长时间内在我国占主导地位，超超临界火电技术在我国有着非常广阔发展前景。超超临界火电技
27、术在我国有着非常广阔发展前景。uu然而近几十年来国内的电站新材料开发几乎处于完全停滞状态，目前然而近几十年来国内的电站新材料开发几乎处于完全停滞状态，目前超临界和超超临界机组甚至包括部分亚临界机组的关键材料或部件几超临界和超超临界机组甚至包括部分亚临界机组的关键材料或部件几乎完全依赖进口，这种状态在短期内还无法改变；从国外购买先进材乎完全依赖进口，这种状态在短期内还无法改变；从国外购买先进材料是发展超超临界技术的最现实的途径。料是发展超超临界技术的最现实的途径。uu另一方面，国内对于现阶段超超临界机组所需各种新材料的加工工艺另一方面，国内对于现阶段超超临界机组所需各种新材料的加工工艺和服役特性
28、研究也刚起步，缺乏足够的材料加工和使用经验，为了保和服役特性研究也刚起步，缺乏足够的材料加工和使用经验，为了保证机组的顺利建设和将来长期安全可靠的运行还需要进行大量工作。证机组的顺利建设和将来长期安全可靠的运行还需要进行大量工作。本讲稿第十七页，共三十一页uu国外发达国家对于先进的发电技术所需的材料均有相应的研究战国外发达国家对于先进的发电技术所需的材料均有相应的研究战略，对电站材料的蠕变、疲劳等长时性能研究也有长期规划，并略，对电站材料的蠕变、疲劳等长时性能研究也有长期规划，并建立了数据共享平台，积累了大量的材料性能数据，如在欧洲蠕建立了数据共享平台，积累了大量的材料性能数据，如在欧洲蠕变合
29、作委员会变合作委员会(ECCC)(ECCC)和日本材料所的数据共享平台，多数常用材料和日本材料所的数据共享平台，多数常用材料的持久强度试验时间超过了的持久强度试验时间超过了1010万小时，最长的数据达到了万小时，最长的数据达到了20-3020-30年。年。这些数据对于机组的合理设计和安全可靠运行提供了坚实的材料技术这些数据对于机组的合理设计和安全可靠运行提供了坚实的材料技术支持。而国内还没有相应的机构，各单位间数据的共享性差，数据的支持。而国内还没有相应的机构，各单位间数据的共享性差，数据的质量和数量也都没有保证，甚至常用的电站材料的长期数据也严重缺质量和数量也都没有保证，甚至常用的电站材料的
30、长期数据也严重缺乏，对于机组部件的状态和寿命评估带来很大的困难，影响了机组安乏，对于机组部件的状态和寿命评估带来很大的困难，影响了机组安全可靠运行。全可靠运行。本讲稿第十八页，共三十一页三、国外超临界机组材料问题三、国外超临界机组材料问题 2020世纪世纪5050年代末和年代末和6060年代初，在美国、英国、联邦德国都投运了年代初，在美国、英国、联邦德国都投运了超超临界机组。限于当时的材料技术，这些机组采用了大量传超超临界机组。限于当时的材料技术，这些机组采用了大量传统的奥氏体钢，在运行中出现了许多材料方面的问题。美国虽统的奥氏体钢，在运行中出现了许多材料方面的问题。美国虽在在60607070
31、年代，超临界机组有较快发展，但由于运行中出现的问年代，超临界机组有较快发展，但由于运行中出现的问题和技术、经济方面的原因，其后回到了亚临界机组。题和技术、经济方面的原因，其后回到了亚临界机组。本讲稿第十九页，共三十一页uu超临界锅炉水冷壁管开裂（向火侧产生多重裂纹）。该问题在美国超临界锅炉水冷壁管开裂（向火侧产生多重裂纹）。该问题在美国超临界锅炉比较广泛，需要清除金属表面的结垢后才能发现，一般超临界锅炉比较广泛，需要清除金属表面的结垢后才能发现，一般产生在高吸热区（燃烧器的上方）。产生在高吸热区（燃烧器的上方）。产生原因：管内部结垢、结焦、管壁表面腐蚀、调峰、负产生原因：管内部结垢、结焦、管壁
32、表面腐蚀、调峰、负荷变化影响。荷变化影响。解决方法：设计中采用比较高的单位流量；使用加氧化学水处解决方法：设计中采用比较高的单位流量；使用加氧化学水处理减少内部结垢的程度；运行方面的改进，例如减少高负荷中理减少内部结垢的程度；运行方面的改进，例如减少高负荷中的吹灰次数；减少启停次数；在向火侧进行表面处理，如表面的吹灰次数；减少启停次数；在向火侧进行表面处理，如表面焊、镶铬焊、镶铬/镍。镍。本讲稿第二十页，共三十一页uuT91/P 91T91/P 91的问题爆管的问题爆管 原因：焊后处理不当，热收缩开裂、应力腐蚀或氢腐蚀组装过程中原因：焊后处理不当，热收缩开裂、应力腐蚀或氢腐蚀组装过程中使用较大
33、的冷应力，设计上焊口位于高局部应力区。使用较大的冷应力，设计上焊口位于高局部应力区。uu水冷壁高温腐蚀水冷壁高温腐蚀 低低NOxNOx要求分级燃烧，导致局部还原性气氛，硫化氢、一要求分级燃烧，导致局部还原性气氛，硫化氢、一氧化碳和管壁温度都会影响高温腐蚀。美国实际调查得出：氧化碳和管壁温度都会影响高温腐蚀。美国实际调查得出：亚临界水冷壁管亚临界水冷壁管0.5mm/a0.5mm/a，超临界，超临界2mm/a2mm/a。措施：燃烧优化，。措施：燃烧优化，表面处理，如金属喷涂、镶铬等。表面处理，如金属喷涂、镶铬等。本讲稿第二十一页，共三十一页uu过热器出口联箱过热器出口联箱 美国早期超临界锅炉的过热
34、器出口联箱许多都经过更换。因美国早期超临界锅炉的过热器出口联箱许多都经过更换。因为为P22P22是原设计材料，由于温度和压力的要求，联箱壁厚比较是原设计材料，由于温度和压力的要求，联箱壁厚比较大。较大的联箱厚度会引起较高的热应力。措施：大幅度增大。较大的联箱厚度会引起较高的热应力。措施：大幅度增加孔与孔间距，比原来设计增加三倍。增加过热器柔度，减加孔与孔间距，比原来设计增加三倍。增加过热器柔度，减低过热器与联箱接口的应力。改变过热器管与联箱接口的焊低过热器与联箱接口的应力。改变过热器管与联箱接口的焊接设计，彻底解决原设计开裂的问题。接设计，彻底解决原设计开裂的问题。uu其它可靠性问题其它可靠性
35、问题 再热蒸汽管爆管、大面积水冷壁管腐蚀疲乏等。再热蒸汽管爆管、大面积水冷壁管腐蚀疲乏等。本讲稿第二十二页，共三十一页四、超临界机组用钢国家战略计划四、超临界机组用钢国家战略计划1.1.日本日本uu1981-19971981-1997第一阶段目标是第一阶段目标是566566，第二阶段目标，第二阶段目标593593uu1997-20071997-2007日本超级钢计划日本超级钢计划650650铁素体耐热钢计划铁素体耐热钢计划uu2121世纪阳光计划：世纪阳光计划：34.3MPa/65034.3MPa/6502.2.欧洲欧洲uuCOST(Cooperation in Science&Technol
36、ogy)COST(Cooperation in Science&Technology)计划，计划，uuCOST501COST501（1983198319971997）目标是）目标是300bar/600/620300bar/600/620，uuCOST 522COST 522（1998199820032003）目标是）目标是300bar/620/650300bar/620/650，uuCOST 536COST 536（2004200420092009）目标是）目标是35MPa/65035MPa/650；uu19981998年还启动了为期年还启动了为期1717年的年的ThermieThermie计
37、划，计划，37.5MPa/70037.5MPa/700。本讲稿第二十三页，共三十一页3.3.美国美国uu1986-19921986-1992，2001-20102001-2010年，年，CCTCCT计划，计划，38.5MPa/760/76038.5MPa/760/760uu1992-1999,Combustion20001992-1999,Combustion2000计划计划uu19991999年启动了年启动了Vision21Vision21计划，在计划，在Vision21Vision21计划中增加了开发计划中增加了开发38.5MPa38.5MPa，760/760/760760/760/760
38、的超超临界机组项目。的超超临界机组项目。4.4.韩国韩国uu20032003至今，至今，620620铁素体耐热钢研究计划铁素体耐热钢研究计划5.5.中国中国uu25.4 MPa/60025.4 MPa/600，无国家计划。，无国家计划。本讲稿第二十四页，共三十一页五、超超临界机组选材分析五、超超临界机组选材分析uu水冷壁水冷壁 当锅炉在当锅炉在32MPa 62/32MPa 62/下运行时下运行时,中间水冷壁墙的最高温度能达中间水冷壁墙的最高温度能达500500525,525,这意味着标准低合金铁素体钢如这意味着标准低合金铁素体钢如T11T11的抗蠕变能力的抗蠕变能力是不够的是不够的 只有只有T
39、91T91才合适才合适,但是需要焊后热处理但是需要焊后热处理,这一点在现这一点在现场比较难场比较难 两种由两种由SUMITOMOSUMITOMO和和MHIMHI开发的含开发的含Cr2.5%Cr2.5%和和12%12%的钢种的钢种能适应这个条件而且不需要焊前和焊后热处理能适应这个条件而且不需要焊前和焊后热处理 这两种钢有这两种钢有着和着和T91T91一样的蠕变强度一样的蠕变强度,特别是特别是2.5%Cr2.5%Cr钢更适用这种场合钢更适用这种场合,这种这种钢已经被钢已经被ASMEASME采用并命名为采用并命名为T23T23 uu汽水分离器汽水分离器 直流锅炉汽水分离器容积较大，在直流锅炉汽水分离
40、器容积较大，在4040100100负荷间汽水分负荷间汽水分离器仅仅作为蒸汽流通部件，在低负荷时候承受严重的热疲劳离器仅仅作为蒸汽流通部件，在低负荷时候承受严重的热疲劳应力。可供选择的材料包括应力。可供选择的材料包括P12P12、P22P22、P23 P23 和和P91P91等。低强等。低强度的材料厚度会增加，影响启停速率和运行灵活性。但是可度的材料厚度会增加，影响启停速率和运行灵活性。但是可以增加分离器的数量来减少所需的壁厚。以增加分离器的数量来减少所需的壁厚。本讲稿第二十五页，共三十一页uu联箱与管道联箱与管道 末级过热器、再热器出口联箱与主蒸汽、再热蒸汽管道位于末级过热器、再热器出口联箱与
41、主蒸汽、再热蒸汽管道位于炉膛外边，不需要考虑烟气腐蚀的问题，由于没有烟气加热，炉膛外边，不需要考虑烟气腐蚀的问题，由于没有烟气加热，可以认为蒸汽温度即为金属温度。主要是高温蠕变强度和热疲可以认为蒸汽温度即为金属温度。主要是高温蠕变强度和热疲劳性能、抗蒸汽氧化能力等，联箱需要考虑焊接问题。劳性能、抗蒸汽氧化能力等，联箱需要考虑焊接问题。联箱和管道首选材料是铁素体耐热钢，因为低的热膨胀系数联箱和管道首选材料是铁素体耐热钢，因为低的热膨胀系数和高的热导率可以允许较高的启停速率而不会导致严重的热疲和高的热导率可以允许较高的启停速率而不会导致严重的热疲劳损伤。超超临界机组蒸汽温度往往高于劳损伤。超超临界
42、机组蒸汽温度往往高于566566，主要用钢有，主要用钢有P91P91、P92P92、P122P122和和E911E911。uu过热器与再热器过热器与再热器 在锅炉中服役条件最差，需要同时满足蠕变强度、烟气侧抗在锅炉中服役条件最差，需要同时满足蠕变强度、烟气侧抗腐蚀和飞灰冲蚀性能、蒸汽侧抗氧化性能等。同时要求较好的腐蚀和飞灰冲蚀性能、蒸汽侧抗氧化性能等。同时要求较好的加工性能和经济性。常采用奥氏体耐热钢和奥氏体不锈钢。如加工性能和经济性。常采用奥氏体耐热钢和奥氏体不锈钢。如TP304HTP304H等。等。本讲稿第二十六页，共三十一页uu高中压转子高中压转子 蒸汽温度在蒸汽温度在566566以下，
43、超临界机组的高温转子材料可采用以下，超临界机组的高温转子材料可采用传统的传统的CrMoVCrMoV钢，也可采用不同强化元素强化的钢，也可采用不同强化元素强化的12Cr12Cr转子钢。对于转子钢。对于超临界高压和中压汽轮机转子，国外大量使用低合金超临界高压和中压汽轮机转子，国外大量使用低合金CrMoVCrMoV钢，但钢，但是冶炼难度大，转子轴径和推力盘表面容易发生粘着和拉是冶炼难度大，转子轴径和推力盘表面容易发生粘着和拉毛，需焊低合金钢层，价格比较贵。毛，需焊低合金钢层，价格比较贵。uu喷嘴和叶片喷嘴和叶片 高温叶片用钢，国外大都使用高温叶片用钢，国外大都使用2Cr12NiMo1W1V2Cr12
44、NiMo1W1V钢，部分喷嘴钢，部分喷嘴采用耐热合金采用耐热合金R R2626材料。末级叶片用钢与亚临界机组相同。材料。末级叶片用钢与亚临界机组相同。本讲稿第二十七页，共三十一页uu高温螺栓高温螺栓 国外多使用国外多使用2Cr12NiMo1W1V2Cr12NiMo1W1V钢和耐热合金钢和耐热合金R R2626（应力腐蚀）（应力腐蚀）uu高中压汽缸、阀门高中压汽缸、阀门 国外使用国外使用15Cr2Mo115Cr2Mo1钢或钢或12Cr1Mo1V12Cr1Mo1V钢。钢。主蒸汽管道采用主蒸汽管道采用HCM2SHCM2S和和P91P91。本讲稿第二十八页，共三十一页uu主蒸汽和高温再热蒸汽管道主蒸汽
45、和高温再热蒸汽管道 对于大容量超超临界机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道，将比超临界对于大容量超超临界机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道，将比超临界机组面临更高压力和更高温度的考验。首先，管道材料的高温蠕变强机组面临更高压力和更高温度的考验。首先，管道材料的高温蠕变强度必须满足由于管道热膨胀而引起的热应力的要求。一般来说，适合度必须满足由于管道热膨胀而引起的热应力的要求。一般来说，适合于作为高温蒸汽管道的材料，其在工作温度下的于作为高温蒸汽管道的材料，其在工作温度下的10h10h蠕变应力值应达蠕变应力值应达到到90-100MPa90-100MPa。同时，还要求管道材料的热膨胀系数比较小且。同时，还要求
46、管道材料的热膨胀系数比较小且导热率较大，从而能够降低管道内的热应力水平。对于以上导热率较大，从而能够降低管道内的热应力水平。对于以上要求，同时考虑到运行可靠性和经济因素，使主蒸汽和高温要求，同时考虑到运行可靠性和经济因素，使主蒸汽和高温再热蒸汽管道材料的选择范围很小。再热蒸汽管道材料的选择范围很小。国外大都使用国外大都使用2.25Cr1Mo2.25Cr1Mo或或12Cr1MoV12Cr1MoV。前者由于强度比较低，。前者由于强度比较低，要求壁厚较厚，如果机组频繁启停或变负荷，可能引起热疲劳要求壁厚较厚，如果机组频繁启停或变负荷，可能引起热疲劳破坏破坏本讲稿第二十九页，共三十一页六、应用前景六、
47、应用前景(1)(1)在铁素体钢基础上发展起来的新钢种能很好的应用在蒸汽温在铁素体钢基础上发展起来的新钢种能很好的应用在蒸汽温度在度在538/17MPa538/17MPa条件下条件下(2)(2)锅炉管道和联箱用钢需要高蠕变强度锅炉管道和联箱用钢需要高蠕变强度 基于这个原因基于这个原因,发展合金集中发展合金集中于含于含Cr9-12%Cr9-12%的铁素体钢的铁素体钢 在含在含Cr9-12%Cr9-12%的铁素体钢中加入的铁素体钢中加入NbNb MoMo V V W W等产生了等产生了3 3种新型合金种新型合金P92P92 P122P122和和E911,E911,能够工作在能够工作在620/34MP
48、a620/34MPa条件下条件下 含含CoCo和和W W的的12%Cr12%Cr新型钢种新型钢种NF12NF12和和SAVE12SAVE12可能能应用可能能应用650650下下 初步研究表明初步研究表明,温度超过温度超过650,650,可能需要奥氏体钢或者可能需要奥氏体钢或者镍基合金镍基合金 本讲稿第三十页，共三十一页(3)(3)过热器和再热器管过热器和再热器管,蒸汽侧抗氧化能力和向火侧抗腐蚀能力是主要蒸汽侧抗氧化能力和向火侧抗腐蚀能力是主要的的 在温度超过在温度超过565565高温时就需要奥氏体钢高温时就需要奥氏体钢 根据煤种不同根据煤种不同,可能可能需要高需要高CrCr钢和镀层钢钢和镀层钢
49、 对于对于620,620,在无腐蚀条件下可以采用在无腐蚀条件下可以采用Super304H,AA1,17CW-MO;Super304H,AA1,17CW-MO;但在腐蚀条件下但在腐蚀条件下,就需要就需要20%20%25%Cr25%Cr钢钢,如如HR3C,NF709HR3C,NF709和镀和镀IN72IN72合金合金 另外几种合金另外几种合金Inconel671,NF709Inconel671,NF709 Cr30ACr30A和镀和镀Inconel671(50%)Inconel671(50%)合金可以用于合金可以用于650650(4)(4)对于水冷壁部分对于水冷壁部分,根据蠕变强度和焊接性可以采用两种含根据蠕变强度和焊接性可以采用两种含Cr2.5%Cr2.5%和和Cr12%Cr12%的的T23T23和和HCM12HCM12合金合金 纯粹从蠕变强度考虑纯粹从蠕变强度考虑,它们可以用于它们可以用于595650595650范围内范围内;当某些锅炉含当某些锅炉含NOxNOx较低较低,存在向火侧腐蚀时存在向火侧腐蚀时,这这些合金就必须进行镀层些合金就必须进行镀层,或用或用Cr18-20%Cr18-20%合金表面涂层合金表面涂层 本讲稿第三十一页，共三十一页