先进的燃煤锅炉管用镍基合金.pdf

2 0 0 5 年第 l 期 上海钢研 先进的燃煤锅炉管用镍基合金 极度超临界燃煤锅炉能够发电， 而其排放物 甚至在燃烧高硫煤时都很低 ， 与 目前的电能效率 ～ 4 1 ％相 比， 它的效率可达到 4 6～ 4 8 ％。所面临 的课题是要开发在 7 5 0 ℃ 1 3 8 0 。F 1 0 0 ， 0 0 0小时 至少具有抗蠕变强度 1 0 0 M P a 1 4 ． 5 K s i ， 而且要 求在 2 0 0 ， 0 0 0小 时 内 金 属 损 失 应 低 于 2 m m 0 ． 0 7 9英寸 的耐煤灰腐蚀性的锅炉管合金。而 只有宇航强度性能和耐蚀性都最佳的高镍 固溶合 金才能符合上述新要求。 电站效率提高效果如图 1 所示。该图清楚地 表明， 提高蒸汽温度从而提高电站效率的效果远 比提高蒸汽压力来得好。令人遗憾 的是， 提高蒸 汽温度， 在远大于 6 0 0 ℃ 1 1 1 0 。F 温度下甚至会 使最先进的铁素体管钢也不能符合要求 ， 原因是 它们缺乏强度和耐煤灰腐蚀性。目前通常应用的 最好的奥 氏体固溶合金管能使蒸汽温度提高至 6 5 0 ℃ 1 2 0 0。 F ， 但 蒸 汽压 力 只 限 于约 2 9 5巴 4 3 5 0 P s i ， 而对于耐煤灰腐蚀性， 许多这类合金 还存在问题。 本文介绍了先进的镍基合金的成分 ， 并且详 述了拟用于过热器最热部位 的 I n c o n e 1 7 4 0合金的 开发经过。文章还谈到了复合金属管 ， 并详述 了 它在发电厂中若干成功的应用实例。 ● ． ， ．， ] 2‘3巴 m ooed 觑 B ㈣ p- J II 国 强 巴 ‘●蛳 p由 34Oe eeeee．．, 提 矗 压 力 一 夕 形 砌 p ． - 目前j | 国标准 1 姗 鲫 7 0 0 7 啪 嘲 蒸汽温度． ． c 图 1 提 高蒸汽温度较之提 高蒸汽压力更 能改善 电站 效率 ， 使 用 Gi l b e r t C o mm o n w e a l t h AS P E N模型 计 算机超 临界 蒸汽循环 系统的电站效率 先进的镍基合金 先进的镍基高强度合金通常是含 N i 和 C r 的 合金。合金中加入诸如 Mo 、 w 和 c o 等元素以使 合金具有更好的固溶强化能力。这类合金， 例如 I n c o n e l6 1 7合金都 比较容易焊接 ， 而且一般无需 加工后热处理。 然而 ， 这类材料在用作先进 的极度超临界过 热器管合金时， 欲获得长寿命， 其抗蠕变强度还不 够。合金加入 A l 、 T i 和 N b以通过沉淀硬化达到 高温强 度， I n e o n e l7 1 8合 金、 N i m o n i e 2 6 3合 金 和 Wa s p a l o y等是这类合金的典型例子。 在要求管材必须具有耐煤灰腐蚀性的情况下， 大 多数镍基高温合金必须提高 C r 含量。关于C r 对耐煤 灰腐i 虫 JI生的作用最近已在“ 耐煤灰腐蚀材料试验项 目 ” 研究中得到证明。该研究项目是由美国能源部的 B a b c o c kW i l c o x 公司和俄亥俄州奈尔斯 R e l i a n t 能 源电站的俄亥俄州煤炭开发处共同进行的。 为了进行该项研究， 在某 1 2 0兆瓦亚临界电 站的过热器部位安置 了一块试验板， 电站燃烧含 3～ 3 ． 5 ％硫 的煤， 工作温度 为 5 9 3 ℃ 1 1 0 0。 F 。 工作 了 2 1 2 0 0小时之后 暴露在全温度下 1 1 2 8 8 小时 对试验板作了鉴定。图2的 A、 B图分别绘 制了用密耳／ 年表示 的金属损失与 C r 含量 、 与 C r N i 含量的关系曲线。如图 2 A的结果显示 ， C r 是估计寿命强有力的标 志元素， 图 2 B表 明使用 寿命更好的预测值可能是 c r N i 之和。 姗 ■ 廿 蜘 枷 ■ | I ■ 却埘 水 埘 辎 n l∞ 。＼ 娴0 卜- 一 加 ∞ 柚 ∞ 柚 c r 含量，- t x 姗 廿铷 嚣枷 - 、 嘲 ■1 一 、 埘 ∞ ＼ ＼ - - _ 、 c ， I含 量 ， t 柚。∞ 图 2 A ．本 图显示 了C r 含量 与金属耗损 率的关 系 曲线 对数拟合 B ．本图显示了 C r 含量与金 属耗损 率的 关 系曲线 线性回归拟合 强 盯 誓 ∞ 0 o t ， 1 ． *餐髫 维普资讯 上海钢研 2 0 0 5年第 1 期 复合金属管 如图2所示， C r 含量较高的合金的耐蚀性能 比那些 C r 含量低的来得好。N i 和 C r 各含 5 0 ％ 的耐蚀性能最好， 而最接近该成分的变形镍基合 金是 I n c o n e 16 7 1 ， 它一般含有 4 8 ％C r 和 5 2 ％N i 。 虽然该合金具有优 良的耐煤灰腐蚀性能， 但在高 温下应用时， 强度还不够理想。 而 另 一 方 面，一 种F e N i C r合 金一I n c o l o y 8 0 O H T U N S N 0 8 8 1 1 合金具有优 良的高温 强度， 它已成功地用作普通腐蚀条件下 的一种锅 炉管用合金 ； 但是 ， 在未来极度超临界锅炉所预期 的工作条件下 ， 其 2 l ％的 C r 含量还不足以抗燃 料灰分腐蚀。 显然 ， 针对上述工作条件 ， 只有一种既具有合 金 6 7 1 的耐蚀性 ， 同时又具有合金 8 0 0 H T强度的 合金才是理想的材料。而由特殊金属公司设计的 I n c o c l a d 6 7 1 ／ 8 0 0 H T正好提供了这种性能组合。 I n c o c l a d管是 由双金属坯 料 复合挤 压生产 的， 该 工 艺 在 I n c o l o y 8 0 O H T 合 金 基 底 和 I n c o n e 1 6 7 1 金属覆层之 间产生了冶金接合， 复合金 属管具有良好的传热性能和足够 的冷加工延性。 金属覆层 的标称 厚度一般 为 1 ． 9 ra m 0 ． 0 7 5英 寸 ， 这两种合金的成分如表 1 所示。 双金属产品可以用常规方法成形和机加工 ， 管材易于焊接 ， 而且焊接产 品能获得与一般管材 相当的强度和耐蚀性能。 对于根据 A S M E锅炉及高压容器规范准则建 造的设施 ， 按标准规定的 I n c o l o y 8 0 0 H T合金的设 计应力应该也可用于 I n c o c l a d 6 7 1 ／ 8 0 0 H T 。但是 ， 管壁厚度要求 只能 以 I n c o l o y 8 0 0 H T合金基底厚 度为基准。 表 1 l n c o n e 1 6 7 1和 l n c o l o y 8 0 0 H T合金的标称成分 由双金属坯料通过复合挤 压生产的 I n c o c l a d 6 7 1 ／ 8 0 0 H T管材 ， 它具有合金 6 7 1的耐 蚀 性 能和合 金 8 0 0 H T的 强度 、 I n c o n e 1 7 4 0合金 考虑到欧洲兆卡 A D 7 0 0工程项 目中要 求解 决的技术问题 ， 要求特殊金属公司为过热器最热 部位开发一种镍基合金。 选择 N im o n i c 2 6 3合金作为起点 ， 研究调整 y 相硬 化元 素 ， 以保 证 其 抗 蠕 变 强 度 指标 符 合 7 5 0 ℃／ 1 0 0 M P a 1 3 8 0 oF ／ 1 4 ． 5 K s i 条 件 下 达 到 1 0 0 ， 0 0 0小时的要求。研究获得的成分如表 2所 刁 。 图 3 是 I n c o n e 17 4 0合金 的拉森 一米勒参数 曲 线， 1 0 0 ， 0 0 0小时蠕变断裂数据与其它典型的蒸汽 锅炉材料的比较情况如图4所示。图 2所示的拟 合的幂定律平均值曲线预测 了 7 5 0 c c 1 3 8 0 。F 、 1 0 0 ， 0 0 0小时引起蠕变断裂所需的应力为 1 4 5 M P a 2 1 K s i 。试样在 1 1 5 0 ℃ 2 1 0 0 。F 退火 3 0 分钟， 水 淬， 8 9 0 C 1 4 7 0 o F 时效处理 1 6 小时， 空冷。 维普资讯 2 0 0 5年第 1 期 上海钢研 表 2 l n c o n e 1 7 4 0合金的标称成分 为了测定实验用 I n c o n e 1 7 4 0合金成分 的耐蚀 性能 ， 选择的气体燃料和煤灰成分如图5所示， 当 碱性 三 硫 酸盐 在 约 6 0 0 o C和 7 5 0 o C 1 1 1 0。F和 1 3 8 0 。 F 之间熔化时 ， 这种组合便产生 了 Ⅱ型热 腐蚀侵蚀方式， 当低于 6 o 0 ℃ 1 1 1 0 。F ， 三硫酸盐 为固态时， 侵蚀变弱， 而 7 5 0 o C 1 3 8 0 。 F 以上， 因 为三硫酸盐趋于汽化， 侵蚀也会变弱。 1 哪 ■ ■～ l J 0 倒 I 一 3 1 3 2 3 3 3 1 3 5 3 6 拉森一 米勒参数 ，x 1 0 0 0 图3 热轧 、 固溶退 火时效处理的 I n e o n e 1 7 4 0合金棒 和板 的应力断裂数据 汇总， 显 示 出幂 定律拟合 。 拉森一米勒参数 T x [ 3 0 l o g t r ] ， 式中 T开氏温度 绝对温度 t r 至断裂的时间， 以小时计 ⋯ 划线为 l蠹 计值 垒 枷 i n a a 蚰 镍基高 ● 温合 金 倒 ■ 标 准 6 1 I 嘲 曩 k 诅 群 ． I 蛊 制 1 ■ ■ ■ ＼ U g ∞ 一 、 留 1 ■_ 吾 ∞ 铁素体钢 奥氏 体 1 _ 合金 8 ∞ 嘲 枷 伽 硼 7 s o 鲫 温度， ． c 图4 1 0 0， 0 0 0小时试验 中各种 蒸汽锅 炉合金的持 久强度曲线 根据 7 0 0 ％ 1 2 9 0 。F 的腐蚀数据， 图 5绘出 了 I n c o n e 1 7 4 0合金在 2 0 0 ， 0 0 0～ 4 0 0 0小时 内金属 损失呈线性和抛物线形态 。在 2 0 0 ， 0 0 0小时 内， 线性部分相当于约 1 ． 3 m m 0 ． 0 5 1 英寸 的金属损 失 ， 而抛物线部分导致约 0 ． 2 5 m m 0 ． 0 1 英寸 的 金属损失。 1 a蛳 l I l - A T． 舶 II { I∈ 娜 舞 ， 最 ／ m r／ ，一 m 姗 硼枷∞唧柚l m 哪 时间，小时 图5 I n c o n e 1 7 4 0合金在 7 0 0 C 1 2 9 0 下 时的煤 灰腐 蚀模拟 图。7 0 0 C时的煤气 中含 N 21 5 ％C O 2 3 ． 5 ％O 20 ． 2 5 S O 2 ， 含 盐涂层 是 5 ％ N a 2 S O4 5 ％ K 2 S O 49 O ％ 1 1 l比侈 4 的 F e 2 O3一 A l 2 O 3一S i O 2 2 毫 E 1 3 黼1 翻 1_ 0 3 ■I n c o nd 7 的 ● - J I ● - ‘ - _ l - - - r r _ 2 0 O 0 4 10 0 0 6 o 0 o 8 0 0 0 1 0 , 0 0 0 试 验时问，小 时 图 6本 图显 示 了 7 5 0 o C 1 3 8 0 下 下 I n c o n e 1 7 4 0合 金 的蒸汽氧化 引起 的重量变化曲线 图 6示出了 7 5 0 o C 1 3 8 0 。F ， 1 0 ， 0 0 0小时以 内蒸汽氧化造成 的重量变化 以 m g ／ c m 计 ， 试 验结 束 后 ， 经 测 量 的 表 面 氧 化 膜 厚 度 约 为 1 ． 2 2 m 。 未来的锅炉 致力于提高锅炉发电效率无疑将导致对各 种设备提出更多的工作要求。于是 ， 将需要符合 这种严酷工作环境的先进合金。 I n c o n e 17 4 0合金显示 出了为能在非常高 的 压力和温度下工作而设计 开发 的锅炉 的性能要 求。 业 已证 明 I n c o c l a d 6 7 1 ／ 8 0 0 H T管已经证明 能够抗燃料煤灰腐蚀 ， 而且能够在使用低级别煤 的锅炉中长期工作 2 0多年 。 陈永红译张新宝校 维普资讯