火电厂耐热钢材的发展与应用研究.pdf

A cadem l C 学 术 火电厂耐热钢材的发展与应用研究 中国能源建设集团山西电力建设公司 一 王关西 摘要 火电厂超超临界初组对钢材的性能提出了更高的要求 ， 要求钢材满足耐高温、 高压、 高腐蚀等性能。文章介绍了火电厂锅炉用耐热钢材的发展情况 ． 对几种耐热新型钢材 料进行了介绍和探讨。 1 ．概述 火力发电行业 目前面临两方面的压力，一 是市场竞争的加剧需要降低成本，二是对全球 环境 问题 的日益关注，要求发 电厂降低 S 0 X 、 N 0 x 、C 0 2的排放，满足严格 的环保要求。基于 常规的发电系统，提高机组的蒸汽参数，即机 组的超临界 S c 和超超 临界化 U S C ，发展 高经济性、高效率 的高参数、大容量机组，是 解 决这些 问题的关键。 目前，我 国正积极发展 超超』 临界燃煤发 电技术，而超超临界机组对钢 材的性能提出了更高的要求。 2 ．火电厂超超临界机组对材料的要求 超超临界机组相对超 临界机组蒸汽温度和 压力参数的提高，对电站关键部件材料带来了 更高和更新的要求，尤其是材料的热强性能、 抗高温腐蚀和氧化能力、冷加工和热加工性能 等，因此材料和制造技术成为发展先进机组的 技术核心。高的蒸汽参数对火 电厂用钢提 出了 更苛刻的要求，对锅炉来说具体表现在 2 ． 1 ．高温强度 对于主蒸汽 管道、过热器 ／再热器管、联 箱和水冷壁材料都必须有与高蒸汽参数相适应 的高温持久强度。 2 ． 2 ． 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因素，当金属温度提 高， 烟气腐蚀将大幅度上升，因此超超临界机组中 腐蚀问题更加突出。 2 ． 3 ． 蒸汽侧的氧化 运行温度的提高加剧了过热器、再热器甚 至包括联箱和管道等蒸汽通流部件的蒸汽侧氧 化 ，这将导致三种后果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；剥落的氧化物颗粒 对汽机前级叶片的冲蚀。因此在过热器、再热 器等材料选择中应充分考虑到抗蒸汽氧化及氧 化层剥落性能。 2 ． 4 ． 热疲劳性能 由于在机组启停、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，材料的抗热疲劳性能是与高温强度 同 等重要的指标，应在保证强度 的前提下尽可能 选择具有高热导率和低的热膨胀系数的铁素体 耐 热钢 。 对汽机而言，其 中的转子、叶片 以及其 5 O M a c h in e C h in a中国机械 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、在蒸汽环境下的抗应 力腐蚀能力 以及足够 的韧性、塑性 以避 免蠕变 裂纹形成。 3 ． 火电厂锅炉用耐热钢材的发展 3 ． 1 ． 低合金 卜3 ％ C r 钢 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 区域 以及水冷壁，在联箱和管道中应用也比较 普遍。其关键的性能要求包括4 5 0 C以下 良好 的抗拉强度 1 2 0 M P a ；5 5 0 ℃以下的持久强度； 无需焊后热处理 的优异焊接性能；良好的蒸汽 氧化性能；通过堆焊或喷涂获得优异的抗烟气 腐蚀性能。 长期以来 ，这类钢 中的主力钢种包括锅炉 材料 P 1 1 、P 2 2以及 1 2 C r l M o V等和汽轮机材料 1 C r M o V 。随后开发了T ／ P 2 3 ，通过在 T 2 2 基础成 分中以w 取代部分M 0 并添加№、 v 提高蠕变强度， 降低 了C提高焊接性能，同时加入微量 B提高 淬透性以获得完全的贝氏体组织。 3 ． 2 ． 9 1 2 c r 马氏体钢 9 1 2 ％c r马氏体钢是火电厂中重要的一类 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。 对于锅炉用 9 1 2 ％c r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 A C 1 温度、良好的焊接性能和低的 I V型裂纹敏感性、 抗蒸汽氧化能力、疲劳性能等。图 2是锅炉用 9 1 2 ％ c r 钢 的发展过程。其中的T ／ P 9 1 钢是美 国在 8 0 年代 开发 的一种 综合性 能优异 的 9 ％ C r 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 P 9 1的基础上通过以 W取代 部分 M 0获得 了T ／ P 9 2和 E 9 1 1 T ／ P 9 1 1 两种新 型钢种 。在 1 2 ％ C r钢中通过相 同的合金化思想 开发了 P 1 2 2 ，只是为 了避免出现 6铁素体，其 中还加入了 1 ％ C u 。这三种钢高温强度 比P 9 1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 6 2 0 ℃的联箱和高温蒸汽管道 的主要材料。 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 。 普通 的 1 2 C r ％钢作为 5 6 5 C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。9 - 1 2 C r ％汽机用钢的合金强化趋势与锅炉 钢是类似的。 3 ． 3 ． N i 基高温合金 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 类材料产生兴趣。如果蒸汽参数提高到 7 0 0 C以 上，机组的许 多部件将只能采用高温合金。包 括定 向凝固和单晶合金在内的 N i基合金正在进 行评估应用在汽轮机中。 通常认为蒸汽温度 7 0 0 C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 7 5 0 C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 不太可能。尽管蠕变强度的要求对 N i 基高温合 金来说不过分，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。 4 ． 结语 我 国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。火 电厂耐热材料与影响国计 民生的能源和环境两大重大 问题均关系密切， 有必要建立相应的研 究和开发战略，通过参与 国际研发项 目，掌握新型耐热钢 的特性，通过 建立 电站材料性能数据库与共享机制 ，形成完 整的材料技术支撑体系 。 参考文献 [ 1 ]赵钦新 ．超临界锅炉耐热钢研 究 [ M ] ． 机械工业出版社 ． 2 0 1 0 ． O 1 ． [ 2 ]徐德基 ，王广涛 ．火电厂锅炉耐热件用 新型耐热钢 [ J ] ． 水利电力机械 ． 1 9 9 1 ． 0 3 ． [ 3 ]邹宗跃 ． 火力发 电厂用的耐热钢的开发 研究动向 [ J ] ．浙江冶金 ． 1 9 9 5 ． Z 1 ． 作者简介 王关西 1 9 7 1 一 男，山西大同人。1 9 9 4 年毕业于山西太原工业大学材料系。现为中国 能源建设集 团山西电力建设一公司焊接分公司 副经理，工程师。主要从事火力发 电厂焊接金 属技术工作 。