林富生, 王治政, 王寶忠, 程世長, 謝錫善

(1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院,上海 200240;2.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 200940;3.中國第一重型機(jī)械股份公司,黑龍江 161042;4.北京鋼鐵研究總院,北京 100081;5.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

進(jìn)入21世紀(jì),中國政府十分重視環(huán)境保護(hù)和減少CO2的排放,在盡力發(fā)展水電、風(fēng)電和太陽能發(fā)電的同時,大力發(fā)展核電和高效、清潔的超臨界、超超臨界發(fā)電技術(shù).中國加快了超臨界和超超臨界機(jī)組的建設(shè),加大了關(guān)停小火電的力度.從2004年11月第一臺超臨界機(jī)組投運(yùn)和2006年11月第一臺超超臨界機(jī)組投運(yùn)至今,已有100多臺600～660 MW超臨界機(jī)組、15臺600～660MW 超超臨界機(jī)組、16臺1 000 MW超超臨界機(jī)組投運(yùn),此外,還有約170臺超超臨界機(jī)組訂貨,約100臺超臨界機(jī)組訂貨.近幾年,累計關(guān)停小火電機(jī)組7 467臺,總?cè)萘砍^54 000 MW.通過這些措施,使供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗從2004年的376 g/(kW?h)下降到今年1～7月的341 g/(kW?h)[1].中國加快了核電建設(shè),至今已核準(zhǔn)建設(shè)包括AP1000在內(nèi)的核電機(jī)組24座,在建核電裝機(jī)容量約25 400MW.中國已成為世界上投運(yùn)超超臨界機(jī)組最多的國家,也是在建超超臨界機(jī)組和核電機(jī)組最多的國家.

中國對超超臨界機(jī)組和核電機(jī)組用材料的需求量很大,前幾年向全球采購供不應(yīng)求,有些關(guān)鍵部件材料的價格成倍上漲,使機(jī)組的制造成本大幅上升,材料已成為中國發(fā)展超超臨界機(jī)組和核電機(jī)組的制約因素.為了解除材料制約,中國加大力度開展超超臨界機(jī)組和核電機(jī)組用關(guān)鍵材料和關(guān)鍵部件的研制及應(yīng)用研究.本文主要介紹中國電力工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展、電站裝備用材料的研制及應(yīng)用情況.

1 中國電力工業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展

電力工業(yè)包括發(fā)電和輸變電,其中與耐熱鋼及合金相關(guān)的是發(fā)電設(shè)備制造、電源建設(shè)與電站運(yùn)行.

1.1 中國電力工業(yè)的現(xiàn)狀

中國的電力工業(yè)因本世紀(jì)初的市場需求而得到了迅猛發(fā)展,政府十分有力的節(jié)能減排措施,使先進(jìn)的超臨界、超超臨界機(jī)組和核電機(jī)組得到了快速發(fā)展.在短短幾年內(nèi),中國投運(yùn)的超超臨界機(jī)組超過了其他國家歷年投運(yùn)的總和.與此同時,材料成為中國發(fā)展先進(jìn)電站和保障機(jī)組安全運(yùn)行需要解決的的重要問題.

表1給出了中國2008年裝機(jī)容量、發(fā)電量與發(fā)電設(shè)備產(chǎn)量的構(gòu)成和增長情況.由表1的年增長率可知,風(fēng)電和水電在2008年得到了快速發(fā)展,而火電的增長率則明顯低于平均值,可見政府的節(jié)能減排措施落到了實處.核電由于建設(shè)周期較長,在表1中不能很好地反映,事實上,2008年核電建設(shè)加速,全年核準(zhǔn)建設(shè)14臺核電機(jī)組,裝機(jī)容量共15 120 MW,核電建設(shè)投資增長了71.85%.

表1 2008年裝機(jī)容量、發(fā)電量與發(fā)電設(shè)備產(chǎn)量的構(gòu)成和增長情況[2-3]Tab.1 General conditions o f loading capacity,power generation and equipment production in 2008

在2008年火電設(shè)備制造中,完成600 MW 及以上大型機(jī)組76套,總裝機(jī)容量共52 380 MW,其中1 000 MW超超臨界機(jī)組12套,600～660 MW超超臨界機(jī)組 9套,超臨界機(jī)組36套;完成400 MW級燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組8套.

1.2 中國電力工業(yè)的發(fā)展

中國自1882年安裝11.76 kW發(fā)電機(jī)組開始,有了電的歷史,但在1949年中華人民共和國成立時,總裝機(jī)容量僅為1 850 MW.新中國成立60年來,電力工業(yè)的發(fā)展主要在后30年.到1979年底,總裝機(jī)容量為63 020MW,前30年累計增加61 000 MW;到2009年,總裝機(jī)容量已超過 800 GW,后 30年累計增加約800 GW,特別是進(jìn)入21世紀(jì)后,中國的電力工業(yè)得到了快速發(fā)展.圖1給出了1980年以來中國電力工業(yè)的發(fā)展,圖2和圖3分別表示火電單機(jī)容量和蒸汽參數(shù)的發(fā)展.由圖1可見,1987年總裝機(jī)容量突破100GW,以后分別過8年、5年、4年和1年增加100GW.

圖1 中國電力工業(yè)的發(fā)展[2,4-5]Fig.1 Development history of China's Electric Power Industry

圖2 火電單機(jī)容量的發(fā)展Fig.2 Evolution of unit capacity of coal-fired power plan ts

圖3 火電蒸汽參數(shù)的發(fā)展Fig.3 Evolution of steam parameters of coal-fired power plants

圖4為中國發(fā)電設(shè)備制造業(yè)進(jìn)入21世紀(jì)的發(fā)展情況.由圖4可見,發(fā)電設(shè)備產(chǎn)量的增長非?？?2006—2008年連續(xù)三年年產(chǎn)量超過100 GW,2008年產(chǎn)量超過了130GW,是2001年產(chǎn)量的10倍.

圖4 中國發(fā)電設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展[6]Fig.4 Development of domestic power equipment production

表2是對中國2010年和2020年裝機(jī)容量的預(yù)測.中國今后的電力發(fā)展,一方面要滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平進(jìn)一步提高對電力增長的需求,另一方面要解決好電力發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾.因此,電源建設(shè)會有較快發(fā)展,同時會加快電源結(jié)構(gòu)的調(diào)整.風(fēng)電、核電和水電會快速發(fā)展,煤電占總裝機(jī)容量的比例會下降;在煤電建設(shè)中,以高效、清潔的超臨界和超超臨界機(jī)組為主,也建設(shè)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)電站;在核電方面,加快第三代核電的建設(shè),同時開展第四代核電——高溫氣冷堆的研究.2020年以后,中國的電力工業(yè)還會有較大的發(fā)展空間.

表2 中國2010年和2020年裝機(jī)容量預(yù)測Tab.2 Prediction of domestic loading capacity of2010 and 2020 GW

2 先進(jìn)電站材料

20世紀(jì)50年代末,美國參數(shù)為31 MPa/621℃/566℃/566℃的Philo電站6號和參數(shù)為34.5 MPa/649℃/566℃/566℃的Eddystone電站1號超超臨界機(jī)組投入實際運(yùn)行.限于當(dāng)時的材料技術(shù),采用了傳統(tǒng)的奧氏體鋼,但在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的煙氣腐蝕、蒸汽氧化和熱疲勞等材料方面的問題,不得不降參數(shù)運(yùn)行.在1960—1970年,美國的超臨界機(jī)組雖有較快發(fā)展,但由于運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面的原因,其后的發(fā)展受阻.20世紀(jì)70年代的二次石油危機(jī),促使一些資源短缺國家積極實施高效的超超臨界發(fā)電計劃,以提高發(fā)電效率、保護(hù)環(huán)境及減少溫室氣體CO2的排放.

日本在1981年啟動了超超臨界發(fā)電技術(shù)的研究計劃,第一階段(1981—1993年)目標(biāo)是開發(fā)應(yīng)用鐵素體鋼的參數(shù)為31.4 MPa/593℃/593℃/593℃機(jī)組和應(yīng)用奧氏體鋼的參數(shù)為34.3 M Pa/649℃/649 ℃/649 ℃機(jī)組;第二階段(1994—2000年)目標(biāo)是開發(fā)應(yīng)用鐵素體鋼的參數(shù)為30MPa/630℃/630℃的一次再熱機(jī)組.2008年3月,日本啟動了“給地球降溫——新能源技術(shù)計劃”(2008—2015年),目的是減少溫室氣體的排放,共有21項技術(shù)開發(fā),其中先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)(A-USC)項目的目標(biāo)是實現(xiàn)700℃等級粉煤發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化.

歐洲在 1983年開始實施COST 501(1983—1997年)計劃,分3個階段進(jìn)行,目標(biāo)是建立參數(shù)為29.4 MPa/600℃/600℃和29.4 MPa/600℃/620℃機(jī)組.在 COST501計劃完成后,緊接著實施COST 522(1998—2003年)計劃,目標(biāo)是建立 30 MPa/620℃/650℃機(jī)組;之后實施 COST 536(2004—2009年)計劃,目標(biāo)是利用9%～12%Cr鐵素體鋼制造大型鑄鍛件(如轉(zhuǎn)子、主汽閥殼)和厚壁管的650℃超超臨界機(jī)組.與此同時,在1998年啟動了為期17年的Thermie AD 700(1998—2014年)計劃,目標(biāo)是建立37.5 MPa/700℃/720℃的超超臨界機(jī)組.

美國在1978年開始研究更加經(jīng)濟(jì)的燃煤發(fā)電技術(shù),在1986年啟動了歷時8年的RP1403項目,評價了超超臨界鍋爐厚截面部件用鋼,證實P92鋼和P122鋼是鍋爐厚截面部件的最佳材料.在2000年啟動了Vision21計劃,目標(biāo)是15年后建立能使用煤、天然氣和生活垃圾等多種原料生產(chǎn)出電能、液體燃料和化工品等多種產(chǎn)品的工廠,要求實現(xiàn)零排放,蒸汽參數(shù)達(dá)到35 MPa/760°C.

韓國在2002年啟動超超臨界技術(shù)開發(fā)計劃,目標(biāo)是建立26 MPa/610℃/621℃的1 000MW超超臨界機(jī)組.

中國發(fā)展超超臨界機(jī)組起步晚,但政府實施環(huán)境保護(hù)、減少CO2排放的力度大,建設(shè)超超臨界機(jī)組的速度快.2002年“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”研究項目列入國家科技部“十五”863研究計劃,以華能玉環(huán)電廠一期2臺1 000 MW機(jī)組作為依托工程.這2臺機(jī)組的蒸汽參數(shù)均為26.25 MPa/600℃/600℃,鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)日本三菱公司技術(shù)制造,汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)分別由上海汽輪機(jī)廠和上海汽輪發(fā)電機(jī)廠引進(jìn)德國西門子公司技術(shù)制造,機(jī)組所需材料在全球范圍采購.玉環(huán)電廠一期工程于2004年6月開工建設(shè),歷時30個月建成,于2006年12月30日2臺機(jī)組都投入商業(yè)運(yùn)行.在玉環(huán)電廠一期工程建設(shè)的同時,其他一些電廠(如鄒縣電廠、外高橋電廠等)也開始了超超臨界機(jī)組的建設(shè).至今,中國已有30多臺超超臨界機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行,成為在運(yùn)超超臨界機(jī)組最多的國家.

實現(xiàn)上述眾多計劃的基礎(chǔ)是耐高溫材料的發(fā)展,因此首先要開發(fā)耐高溫材料.通過這些計劃的實施,在世界范圍內(nèi)推動了600 ℃、620℃、650 ℃、700℃和760℃等級超超臨界機(jī)組材料的開發(fā)與研制,以及這些材料的長期應(yīng)用性能和長期組織穩(wěn)定性的研究,并最終成功地研制出一批先進(jìn)的電站材料.

2.1 超超臨界電站鍋爐用材料

中國超臨界和超超臨界電站鍋爐用主要材料列于表3.這些材料可分為鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼.

表3 超臨界和超超臨界鍋爐主要部件用材料Tab.3 Materials for main components o f SC and USC boilers

鐵素體耐熱鋼又可分為2%～3%C r低合金鋼和9%～12%Cr高合金鋼.T23鋼是20世紀(jì)90年代開發(fā)的含2.25%Cr的低合金耐熱鋼,其合金化原理與我國在20世紀(jì)70年代開發(fā)的G102(12Cr2M oWVTiB)鋼相同.與含2.25%Cr的T22鋼相比,T23鋼降低了C含量以提高焊接工藝性能,減少了Mo含量,增加了W含量以提高固溶強(qiáng)化性能,增加了V、Nb的含量以提高細(xì)小析出物的沉淀硬化作用,增加了微量B含量以提高淬透性和強(qiáng)化晶界,從而得到具有良好工藝性能和高熱強(qiáng)性的電站用鋼,在565℃下的許用應(yīng)力比T22鋼幾乎提高 1倍.歐洲 COST501計劃開發(fā)的7CrM oVTiB1010(T/P 24)鋼也屬于這類鋼.這類鋼可作為600℃以下超超臨界鍋爐水冷壁的材料,也可制成大口徑管,作為管道和聯(lián)箱材料.最近ASM E Code Case 2199-4對T/P23鋼的成分又進(jìn)行了調(diào)整,N≤0.015,B為0.001 0～0.006,Ni≤0.40,Ti為 0.005～0.060,Ti/N≥3.5.

9%Cr鋼是在9Cr1M o的基礎(chǔ)上減C加V、Nb得到低C的9Cr1MoVNb(F9),然后在此基礎(chǔ)上優(yōu)化C、V、Nb成分,得到T91鋼.T91鋼是美國開發(fā)的非常成功的鋼種,被全世界廣泛應(yīng)用于金屬壁溫在593℃以下的超臨界、超超臨界以及亞臨界機(jī)組的過熱器和再熱器管,P91鋼制成的大口徑管廣泛應(yīng)用于這類機(jī)組的集箱和主蒸汽管道,后來將這一材料推廣應(yīng)用于鍛件(F91)和鑄件(G r91).日本在T91鋼的基礎(chǔ)上減M o加 W、B,試制成功了 T/P92,歐洲COST501在 T91鋼的基礎(chǔ)上加 W、B,試制成功了E911,這2種材料的蠕變強(qiáng)度都明顯高于T91鋼,可用于金屬壁溫不超過620℃的過熱器和再熱器管,制成的大口徑管用來制造集箱和主蒸汽管道.

12%Cr鋼是在歐洲廣泛應(yīng)用的HT91和HT9的基礎(chǔ)上減 C加 W、Nb研制成 HCM 12,然后在HCM 12的基礎(chǔ)上優(yōu)化 M o、W 和加 Cu研制成HCM 12A,它被認(rèn)為與 T/P92、E911是同一檔材料,且含Cr量較高,具有較好的抗蒸汽氧化和抗腐蝕能力,這3種材料都有較長的實機(jī)運(yùn)行經(jīng)歷,近年來的研究表明:HCM 12A的長期組織穩(wěn)定性較差,在高溫下長期服役后析出Z相,C r促進(jìn)Z相的形成.Z相的析出與長大會消耗大量的MX相,導(dǎo)致蠕變強(qiáng)度快速下降.

當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時,鐵素體耐熱鋼已不能滿足熱強(qiáng)性和抗腐蝕性的要求.奧氏體耐熱鋼比鐵素體耐熱鋼具有更好的熱強(qiáng)性和抗腐蝕性能,但熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性差且價格高.18Cr-8Ni奧氏體鋼最初用于化工設(shè)備,具有高抗腐蝕性能.而超超臨界機(jī)組需要采用高蠕變強(qiáng)度、高抗腐蝕性和低成本的奧氏體鋼,該鋼種在成分設(shè)計上結(jié)合固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化機(jī)理,優(yōu)化C 、M o、W 、Nb和 Ti元素,采用奧氏體穩(wěn)定化元素N、Cu代替部分Ni以降低成本;在制造上優(yōu)化加工工藝,提高使用性能.18Cr-8Ni系鋼在TP304H的基礎(chǔ)上加Ti形成TP321H,加M o形成 TP316H,加Nb形成 TP347H.這 4種鋼在上世紀(jì)30年代已開發(fā)成功,在工業(yè)上獲得大量應(yīng)用.在TP304H 的基礎(chǔ)上增C,加3%Cu、Nb和N,研制成功Super304H鋼,其在650℃下的許用應(yīng)力可提高90%.

20%～25%Cr系和高Cr-高Ni系鋼具有優(yōu)越的抗高溫腐蝕和抗蒸汽氧化性能,但其許用應(yīng)力與價格的比值較低,成本較高,需要通過優(yōu)化成分設(shè)計來提高性價比.在A ISI310的基礎(chǔ)上加Nb、N開發(fā)出HR3C,使其在650℃下的許用應(yīng)力提高了150%;在 HR3C的基礎(chǔ)上加 W、Cu開發(fā)出 SAVE 25(22.5Cr18.5NiWCuNbN)奧氏體鋼,其10萬 h持久強(qiáng)度為100 MPa時對應(yīng)的溫度比HR3C高20 K.

在TP347H的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整和優(yōu)化熱處理工藝獲得整體細(xì)晶粒組織(晶粒度≥8級),從而提高了鋼管的熱強(qiáng)性和抗蒸汽氧化能力,細(xì)晶粒TP347H在650℃下的許用應(yīng)力比常規(guī)熱處理的TP347H 高 20%,被ASME命名為 TP347HFG,其在超臨界和超超臨界鍋爐上已有廣泛應(yīng)用.

為提高管子內(nèi)壁的抗蒸汽氧化能力,日本鋼管公司通過特殊處理使鋼管內(nèi)表層形成200μm左右的細(xì)晶粒組織.由于晶粒細(xì)小,在氧化膜和基體金屬之間,鉻原子沿晶界作短程擴(kuò)散,形成一個均勻、連續(xù)而致密的Cr2O3薄膜,防止高溫蒸汽與金屬基體接觸,從而可提高管子內(nèi)壁的抗高溫蒸汽氧化能力.

2.2 超超臨界電站汽輪機(jī)用材料

中國超臨界和超超臨界電站汽輪機(jī)主要部件用材料列于表4.

表4 超臨界和超超臨界汽輪機(jī)主要部件用材料Tab.4 Materials for main components of SC and USC turbines

汽輪機(jī)用9%～12%Cr鋼的合金化原理與鍋爐用鋼相同.由于汽輪機(jī)用鋼除汽缸類外,一般不作焊接處理,因此,其含碳量相對較高.

在20世紀(jì)50年代,英國開發(fā)了H 46鋼,日本開發(fā)了TAF鋼,是當(dāng)時強(qiáng)度最高的鐵素體鋼.之后,在世界范圍內(nèi)開發(fā)了許多12%Cr類鋼,用于制造汽輪機(jī)葉片和螺栓.20世紀(jì)90年代,日本在11Cr-2.6W-M oVNbB鋼的基礎(chǔ)上加Co,開發(fā)出強(qiáng)度很高的TAF650,同時通過加Re和Co試制成功10.5Cr-2.6W-0.1M o-0.2Re-0.5Co-VNbNB 鋼,用于600～650℃的葉片.歐洲的COST501計劃研制成功 X18CrMoVNbB91、X10CrCoWMoVNbB1133等汽輪機(jī)用鋼,不同制造商選用同一檔次的材料在成分上往往存在差異,不像鍋爐用鋼一樣形成統(tǒng)一規(guī)范.

9%～12%Cr轉(zhuǎn)子鋼也是以英國的H 46和日本的TAF鋼為基礎(chǔ)開發(fā)的.由于轉(zhuǎn)子尺寸大,韌性要求高,正火溫度比小部件的低,Nb含量高會形成網(wǎng)狀NbC,因此,將 Nb含量降低到 0.1%以下,同時降低 Cr含量以抑制δ-鐵素體的形成.9%～12%Cr轉(zhuǎn)子鋼主要有M oVNb、WM oVNb和WM o-CoVNb 3種系列.M oVNb系有20世紀(jì)60年代中期開發(fā)的GE(10.5Cr-1Mo-VNbN)和東芝(以Ta代Nb的10.5Cr-1Mo-VTaN)轉(zhuǎn)子鋼,主要用于566℃的高中壓轉(zhuǎn)子;20世紀(jì)80年代開發(fā)的 TR1100(TM K 1-10.2Cr-1.5M o-VNbN)和COST F(10.2Cr-1M o-VNbN)轉(zhuǎn)子鋼,可用于593℃的高中壓轉(zhuǎn)子.WM VNb系主要有 TR1150(TMK2-10.7Cr-1.8W-M oVNbN)、TR1200(11Cr-2.5WMoVNbN)和 COST E(11Cr-1W-1M o-VNbN)轉(zhuǎn)子鋼,可用于620℃的高中壓轉(zhuǎn)子.WMoCoVNb系主要有 HR1200(11Cr-2.6W-3Co-MoVNbNB,改進(jìn)型HR1200為 10C r-1.8W-3Co-M oVNbNB)和 COST FN5(11.2C r-2.6W-2.7Co-M o VNbNB)轉(zhuǎn)子鋼,目標(biāo)是用于650℃的高中壓轉(zhuǎn)子.

考慮到9%～12%Cr鑄鋼的可焊性,應(yīng)適當(dāng)降低C含量和控制C r含量,以提高焊接性能,優(yōu)化V、Nb和N含量,以提高蠕變性能.9%～12%Cr鑄鋼也有M oVNb、WMoVNb和 WMoCoVNb 3種系列,分別用于593℃、620℃和650℃的汽缸和閥體.日本開發(fā)的9%～12%Cr鑄鋼有9.5Cr-MoVNbN(TOS301、MJC12)、9.5Cr-2W-MoVNbN(TOS302)和 9.5Cr-2W-3Co-MoVNbNB 3種,歐 洲 開 發(fā) 的 有GX12CrMoVNbN91和GX12CrMoWVNbN1011 2種.

3 電站裝備材料的研制

中國電站裝備材料主要是通過國家863計劃、國家科技支撐計劃、國家重大專項和地方政府重大項目組織相關(guān)單位合作進(jìn)行研制,以及通過自主發(fā)展計劃進(jìn)行研制的.在此期間,相關(guān)企業(yè)進(jìn)行了較大規(guī)模的技術(shù)改造,現(xiàn)已具備先進(jìn)的制造設(shè)備.

中國電站裝備材料的研制體現(xiàn)出明顯的市場導(dǎo)向特征,是發(fā)電機(jī)組發(fā)展的迫切需求促進(jìn)的,機(jī)組發(fā)展在前,材料研制滯后.目前的材料研制工作主要圍繞超超臨界機(jī)組和核電機(jī)組的發(fā)展對材料的迫切需求展開,缺什么研制什么,以滿足機(jī)組發(fā)展的需要.

3.1 超超臨界電站關(guān)鍵材料的研制

超超臨界電站關(guān)鍵材料主要是指鍋爐過熱器、再熱器用小口徑管,主蒸汽管道和集箱厚壁管道,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、汽缸、主汽閥殼、高溫螺栓和葉片用材料.這些部件和材料大部分已研制成功,限于篇幅,僅選幾種予以介紹.

3.1.1 S30432鋼管

在成分確定后,制造工藝是決定S30432鋼管性能好壞的關(guān)鍵,采用“高溫軟化處理+大變形量冷加工+固溶熱處理+內(nèi)壁噴丸”的特殊制管工藝,可以較好地兼顧S30432鋼管的持久強(qiáng)度和抗蒸汽氧化能力.目前,對S30432奧氏體鋼中富Cu相和MX相的強(qiáng)化機(jī)制還在深入研究中.圖5為 S30432鋼650℃、1 000 h時效態(tài)的透射電鏡照片.由圖5可以看出,納米級富Cu相彌散分布在時效態(tài)奧氏體鋼的基體中[7].富Cu相是S30432鋼中最重要的強(qiáng)化相,在650℃下時效很短的時間就可以析出.圖6通過三維原子探針的方法說明,S30432鋼在650℃下時效僅僅5 h就會形成非常細(xì)小的富Cu相(平均尺寸大約1 nm)[8],這些細(xì)小、彌散分布的富Cu相顆粒在高溫長期時效過程中可以保持nm級尺寸,具有很好的強(qiáng)化效果,如在650℃下經(jīng)10 000 h時效后,富Cu相顆粒的尺寸仍然保持在45 nm[7].

圖5 S30432鋼650°C、1 000 h時效態(tài)的透射電鏡照片F(xiàn)ig.5 TEM image of S30432 steel after 1 000 h aging at 650℃

圖6 650°C、5 h時效后Cu原子的三維分布圖Fig.6 3DAP image showing distribution of Cu atoms after 5 h aging at 650℃

3.1.2 P91鋼管

中國已有多家企業(yè)研制成功P91鋼管,并對這些鋼管的化學(xué)成分、表面質(zhì)量、常規(guī)力學(xué)性能、焊接與工藝、高溫長時性能與組織進(jìn)行了全面的評定,結(jié)果表明這些鋼管均達(dá)到AMSE SA-335 P91的性能要求.圖7是3家不同企業(yè)制造的 φ515mm×84 mm、φ508 mm×78 mm 和 φ609.6 mm ×100 mm 3種規(guī)格P91鋼管在600℃下的持久試驗結(jié)果.

圖7 國產(chǎn)P91鋼管在600°C下的持久強(qiáng)度曲線Fig.7 Curves of creep-rupture test for P91 steel pipe at 600℃

3.1.3 NiCr20TiA l合金葉片

NiCr20TiA l(Ni-20Cr-2.3Ti-1.4A l)葉片在國內(nèi)已研制成功,被用于蒸汽參數(shù)為25 MPa/600℃的1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)高溫段葉片[9].NiCr20TiA l合金是一種 γ′-Ni3(A l,Ti)析出強(qiáng)化的鎳基高溫合金,其中A l和Ti是NiCr20TiA l中最重要的強(qiáng)化元素.圖8所示為γ′含量和溶解溫度隨A l+Ti總量變化的關(guān)系.

圖8 A l和Ti含量對NiCr20T iA l中γ′含量和溶解溫度的影響Fig.8 Effect of A l and Ti on fraction and solvus temperature of in NiCr20TiA l

NiCr20TiA l的成分標(biāo)準(zhǔn)(表5)要求A l+Ti的總量高于3.5%.理論計算結(jié)果表明:如果熱變形能夠在冶金過程中順利進(jìn)行,則為了獲得更高的γ′含量,A l和Ti的總量應(yīng)該控制在較高的水平.為了獲得用于超超臨界汽輪機(jī)葉片的優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度NiCr20TiA l合金,應(yīng)將 C含量控制在0.05%～0.06%,將A l和Ti含量保持在較高水平(如2.4%～2.5%Ti和1.6%～1.7%A l).

表5 超超臨界蒸汽輪機(jī)用NiCr20TiAl的化學(xué)成分Tab.5 chemical composition of NiCr20TiAl for USC steam turbines %

圖9所示為經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后NiCr20TiA l的典型顯微組織,由圖9可知,其顯微組織中含有較高含量的γ′相(17.713%),一定量(0.636%)的富Cr碳化物M7 C3和M 23 C6以及少量(0.036%)的MC碳化物.

圖9 經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后NiCr20TiA l的典型顯微組織Fig.9 Typical microstructure of NiCr20TiA l after standard heat treatment

組織熱穩(wěn)定性研究的溫度為550℃、600℃、650℃、700℃和 750℃,時間為 500 h、1 000 h、3 000 h 、5 000 h、8 000 h 和 10 000 h.僅從 γ′強(qiáng)化效果來預(yù)測,將NiCr20TiA l用作超超臨界汽輪機(jī)葉片材料時,許用溫度可能達(dá)到700℃[10].

3.1.4 10%Cr轉(zhuǎn)子鋼

采用雙真空冶煉和電渣重熔(ESR)2種冶煉方法都成功地研制出超超臨界汽輪機(jī)用10%Cr高中壓轉(zhuǎn)子.在研制過程中,包括冶煉、成分控制、鍛造、晶粒度控制和熱處理等都遇到了很大困難.目前,這些問題已得到了解決,三大重機(jī)廠在2009年9月已有10根10%Cr轉(zhuǎn)子通過了驗收,其高溫長時持久試驗正在進(jìn)行中.

3.2 核電關(guān)鍵材料的研制

GW級核電機(jī)組,無論是二代加,還是三代AP1000和EPR,其核島部分的壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器和管板都普遍采用M n-Ni-M o低合金鋼鍛件,但技術(shù)要求高、規(guī)格大、形狀復(fù)雜,其中EPR接管段需550 t鋼錠,制造難度很大;主管道等采用奧氏體TP316型不銹鋼鑄鍛件,形狀復(fù)雜且制造難度很大;蒸發(fā)器U型管采用鎳基合金Inconel 690,技術(shù)要求高且制造難度大.常規(guī)島部分主要是汽輪機(jī)低壓半速整體轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子,是世界上所需鋼錠最大、截面尺寸最大、鍛件毛坯最重及技術(shù)要求最高的實心鍛件,對于三代核電的GW級常規(guī)島低壓半速整體轉(zhuǎn)子(最大直徑達(dá)2.9 m,長度達(dá) 13 m),需 600 t鋼錠.

目前,國內(nèi)相關(guān)廠家都進(jìn)行了技術(shù)改造,在硬件上已具備核電大鍛件制造能力.現(xiàn)已試制出三代核電反應(yīng)堆壓力容器整體頂蓋、一體化接管段、蒸汽發(fā)生器錐形筒體、管板、水室封頭、彎管與管嘴一體化的主管道.我國研制出的GW 級核電汽輪機(jī)低壓半速整體轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是目前世界上最大的實心鍛件,GW級汽輪機(jī)低壓半速焊接轉(zhuǎn)子正在研制中,蒸汽發(fā)生器用Inconel690-U型傳熱管也正在研制中.

仿形鍛造是世界領(lǐng)先技術(shù),不但可以保證纖維的連續(xù)性,而且可以減少毛坯重量和降低制造成本.通過AP1000核電錐形筒體和CPR1000核電接管段的仿形鍛造,我國已掌握了仿形鍛造技術(shù),并處于國際領(lǐng)先水平.

4 中國電站裝備高溫材料的發(fā)展

在中國,超超臨界機(jī)組材料的研制工作起步較晚,但超超臨界機(jī)組發(fā)展很快,已有30多臺超超臨界機(jī)組投運(yùn),未來還有數(shù)以百計的超超臨界機(jī)組投運(yùn).因此,目前發(fā)展的重點(diǎn)是滿足600℃超超臨界機(jī)組發(fā)展對材料的需求,深化這一等級材料的研究工作.在此基礎(chǔ)上,作為技術(shù)儲備,應(yīng)關(guān)注更高參數(shù)超超臨界機(jī)組材料的發(fā)展,采用自主研發(fā)與國際合作相結(jié)合的方式,開展先進(jìn)超超臨界機(jī)組用材料的研究.在未來一段時間內(nèi),中國電站裝備高溫材料的發(fā)展方向是:

(1)深化600℃等級超超臨界機(jī)組材料的研究工作,提高國產(chǎn)材料的質(zhì)量

加強(qiáng)材料的基礎(chǔ)研究,掌握制造工藝對材料組織和性能的影響規(guī)律,改進(jìn)制造工藝,提高產(chǎn)品質(zhì)量;進(jìn)行更長時間的高溫長時性能試驗,研究材料在試驗和電廠服役過程中組織與性能的變化規(guī)律.上海電站裝備材料與大型鑄鍛件攻關(guān)聯(lián)合體已經(jīng)開始7萬h及以上的高溫長時性能試驗.

(2)研究材料的強(qiáng)化機(jī)制,改進(jìn)和優(yōu)化成分,對現(xiàn)有材料進(jìn)行改型以獲得性能更好的材料

中國鋼鐵研究總院(CISRI)正在進(jìn)行幾種奧氏體耐熱鋼的改進(jìn)研究:①G107(25Cr-20Ni類):以H R3C為基礎(chǔ)調(diào)整化學(xué)成分,以提高持久強(qiáng)度;②G108(18Cr-8Ni類):在Super304H的基礎(chǔ)上降低C含量并調(diào)整合金元素,以達(dá)到無晶間腐蝕且提高持久強(qiáng)度的目的;③G109(25Cr-20Ni類):開發(fā)一種高溫強(qiáng)度與NF709和Save25相當(dāng)?shù)膴W氏體鋼.

(3)結(jié)合我國資源,立足國內(nèi)發(fā)展新材料

中科院金屬材料研究所從1969年開始開發(fā)一種添加Nb、Ti和A l,不含Co的以 γ′相強(qiáng)化的 Fe-Ni基高溫合金(GH 2984),在1978年成功生產(chǎn)該合金并用于艦艇的過熱器管道.服役 10年后,GH 2984管道沒有變形和損壞,可以繼續(xù)使用[11].圖10給出了3種高溫合金在650°C、700°C和750°C條件下的持久強(qiáng)度曲線.由該圖可以看出,GH 2984合金在105h、700°C條件下的持久應(yīng)力高于100 MPa,可以滿足在700°C下長期服役的需求.

圖10 GH2984、Inconel 740和Nimonic 263合金的持久強(qiáng)度曲線Fig.10 Curves of creep-rupture test for alloys GH 2984,Inconel740 and Nimonic 263

GH 2984合金不僅具有良好的強(qiáng)度、抗氧化和耐腐蝕性能,而且容易加工成管子,因此,有望成為700°C超超臨界鍋爐過熱器和再熱器的候選材料.

(4)通過國際交流與合作,共同開發(fā)新材料

北京科技大學(xué)參與了美國對先進(jìn)鎳基高溫合金Inconel 740及其改型合金的研發(fā)工作.

Inconel 740合金(Ni-25Cr-20Co-0.5M o-2Nb-1.6Ti-1.1A l)是由美國特殊鋼公司(SMC,Huntington)在Nimonic 263的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而形成的,擬用于750°C以上超超臨界鍋爐過熱器和再熱器.目前,商用高溫合金中的Inconel 740合金在750°C、105 h條件下具有最高的持久應(yīng)力,同時在高溫條件下也具有極好的抗氧化和耐腐蝕性能[12].

Inconel 740合金經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后(1 150℃退火+800℃/16 h時效)的典型組織為在Ni-Cr-Co奧氏體基體中彌散析出的Ni3(A l,Ti,Nb)型 γ′強(qiáng)化相以及在晶界上分布的M 23 C6型碳化物.定量相分析結(jié)果是:12.98%γ′相 、0.183%MC 相、0.115%M23C6相和非常少量的高Si含量的G 相(0.054%).一次析出MC相和晶界M 23 C6相分別為典型的(Nb,Ti)C和M23C6碳化物.

對Inconel 740合金的研究重點(diǎn)是其在750°C以上的組織穩(wěn)定性.在 700°C、725°C、750°C 和800°C下長期時效5 000 h以及在850°C下長期時效1 000 h的組織穩(wěn)定性研究結(jié)果表明:Inconel740合金的組織不穩(wěn)定性表現(xiàn)為γ′相的聚集長大、γ′相轉(zhuǎn)變?yōu)?η相以及G相的形成[13-14].同時研究還表明:Inconel740合金在725°C以下長時間時效可以保持很好的組織穩(wěn)定性,在高于750°C的條件下由于η相的大量形成,Inconel740合金的組織穩(wěn)定性需要改進(jìn)(圖11).

圖11 In conel740合金750℃時效態(tài)的SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM images of alloy Inconel 740 after aging at 750℃

理論計算和組織穩(wěn)定性研究結(jié)果表明:A l、Ti和Nb的含量對γ′相和η相的析出行為有顯著影響.通過調(diào)整合金中A l、Ti和 Si的含量可以改善Inconel 740合金的組織穩(wěn)定性[15].改型合金在750°C下時效5 018 h仍表現(xiàn)出穩(wěn)定的組織(圖12),研究認(rèn)為改型Inconel 740合金是750°C超超臨界鍋爐管道最有前景的候選材料.詳細(xì)的研究結(jié)果參閱文獻(xiàn)[16].

圖12 2種改型Inconel740合金在750°C下時效5 018 h的SEM照片F(xiàn)ig.12 SEM images of two modified Inconel 740 alloys after 5 018 h aging at 750°C

5 結(jié) 語

中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要清潔高效的發(fā)電設(shè)備,未來發(fā)展對超超臨界機(jī)組和核電機(jī)組用材料的需求量很大,更高參數(shù)的超超臨界機(jī)組和核電機(jī)組在我國有很好的發(fā)展前景.

經(jīng)過多年努力,中國已經(jīng)具備了600℃超超臨界機(jī)組材料和當(dāng)代核電關(guān)鍵材料的制造能力,但要實現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn),還需要進(jìn)一步的努力.要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上深化研究、掌握強(qiáng)化機(jī)理、優(yōu)化成分、改進(jìn)制造工藝以提高國產(chǎn)材料質(zhì)量;開展更長時間的高溫長時性能試驗,研究材料在試驗和電廠服役過程中組織與性能的變化規(guī)律,為自主設(shè)計與制造提供可靠依據(jù).

材料是發(fā)展超超臨界機(jī)組和核電機(jī)組的關(guān)鍵,更是發(fā)展新一代機(jī)組的制約因素.沒有高性能的電站材料,就沒有新一代高效發(fā)電機(jī)組.關(guān)鍵材料不實現(xiàn)國產(chǎn)化,就不可能實現(xiàn)高效發(fā)電機(jī)組的自主研發(fā)與制造.電站高溫材料的開發(fā)、研制與性能試驗研究的周期很長,通常需要10～20年的時間.對更高參數(shù)的機(jī)組材料,應(yīng)提前開展預(yù)研,做好材料技術(shù)儲備,以滿足機(jī)組進(jìn)一步發(fā)展的需要.

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