700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器選材分析

王崇斌， 諸育楓， 王　煜， 徐若雨， 秦　升， 朱　更

(上海鍋爐廠有限公司， 上海 200245)

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材料技術(shù)

700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器選材分析

王崇斌， 諸育楓， 王煜， 徐若雨， 秦升， 朱更

(上海鍋爐廠有限公司， 上海 200245)

摘要：介紹了700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器候選新材料Sanicro25更高強(qiáng)度奧氏體鋼小口徑管、HR6W鐵鎳基合金小口徑管、617mod鎳基合金小口徑管、740H鎳基合金小口徑管等材料性能，分析了Super304H、TP310HCbN、Sanicro25、HR6W、617mod、740H管子制造700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器的適用溫度范圍，提出了700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器選材建議。

關(guān)鍵詞：超超臨界機(jī)組； 過(guò)熱器； 材料性能

我國(guó)在一次能源結(jié)構(gòu)中以煤為主要能源，燃煤發(fā)電給環(huán)境帶來(lái)巨大的壓力。為了節(jié)約能源，減少CO2排放，大容量、高參數(shù)的超超臨界機(jī)組成為了電站鍋爐發(fā)展的必然趨勢(shì)。與600 ℃超超臨界機(jī)組相比，700 ℃超超臨界機(jī)組效率提高至50%以上，每千瓦時(shí)供電煤耗降低近70 g，CO2排放減少14%[1-2]。從世界各國(guó)先進(jìn)超超臨界發(fā)電計(jì)劃的實(shí)施情況來(lái)看，700 ℃火電機(jī)組在可行性研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)上均已基本成熟，其開發(fā)的瓶頸在于高溫段材料的選用，尤其是鍋爐材料的選用。由于700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器內(nèi)的蒸汽壓力升高到36.5 MPa，蒸汽溫度升高到700 ℃，而600 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器常用的高強(qiáng)度奧氏體鋼不能滿足700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器的強(qiáng)度要求，所以必須開發(fā)更高強(qiáng)度的新材料小口徑管[3-4]。

筆者對(duì)700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器候選新材料特性進(jìn)行分析，提出700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器選材建議。

1鍋爐初步計(jì)算溫度和設(shè)計(jì)壓力

700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器對(duì)材料性能要求不會(huì)由于鍋爐總體設(shè)計(jì)方案的不同而發(fā)生大的變化。600 MW機(jī)組主蒸汽壓力為35 MPa，主蒸汽溫度為700 ℃，再熱蒸汽溫度為720 ℃，鍋爐的主蒸汽出口壓力為36.5 MPa，主蒸汽出口溫度為705 ℃，再熱蒸汽出口溫度為723 ℃。圖1給出705 ℃/723 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐總體設(shè)計(jì)和受熱面布置的一種典型方式。

2國(guó)內(nèi)外鍋爐過(guò)熱器新材料研究進(jìn)展

1998年，歐洲45家公司合作開發(fā)蒸汽參數(shù)為35 MPa、700 ℃/720 ℃的超超臨界機(jī)組，機(jī)組的設(shè)計(jì)熱效率是52%，CO2排放降低15%。

瑞典開發(fā)出了700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器和再熱器用Sanicro25更高強(qiáng)度奧氏體小口徑鋼管。與傳統(tǒng)的奧氏體耐熱鋼相比，Sanicro25具有優(yōu)異的高溫持久強(qiáng)度、抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕性能，在600～700 ℃的持久強(qiáng)度比TP310HCbN高45%以上，在650 ℃和700 ℃蒸汽中的抗氧化性能良好，達(dá)到完全抗氧化級(jí)[5-6]。

歐洲公司為700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐高溫受熱面管子、集箱和管道開發(fā)了0.08C-22Cr-12Co-9Mo-1.0AL-0.4Ti-B(617mod)鎳基合金小口徑管和大口徑管，其700 ℃、100 000 h持久強(qiáng)度為119 MPa，750 ℃、100 000 h持久強(qiáng)度為69 MPa。

Sanicro25奧氏體小口徑管和617mod鎳基合金小口徑管已經(jīng)在歐洲700 ℃機(jī)組鍋爐驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。

2001年，美國(guó)開發(fā)蒸汽參數(shù)為37.9 MPa、732 ℃/760 ℃超超臨界機(jī)組。美國(guó)公司為700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐高溫受熱面管子、集箱和管道開發(fā)出0.04C-24Cr-20Co-2Nb-1.6Ti-1.0AL-0.5Mo(740H)小口徑管和大口徑管，其700 ℃、100 000 h持久強(qiáng)度為219 MPa, 750℃、100 000 h持久強(qiáng)度為126 MPa。

2008年，日本開發(fā)蒸汽參數(shù)為35 MPa、700 ℃/720 ℃超超臨界機(jī)組。開發(fā)出700 ℃超超臨界鍋爐高溫受熱面管子和集箱及管道用HR6W鐵鎳基合金小口徑管和大口徑管等新材料。

歐洲公司試制的700 ℃超超臨界鍋爐過(guò)熱器試件見圖2。

2014年，我國(guó)完成了700 ℃機(jī)組鍋爐高溫材料驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)用水冷壁、過(guò)熱器、集箱、減溫器和管道的設(shè)計(jì)任務(wù)。目前，已經(jīng)完成了對(duì)Sanicro25、GH984G、617mod、740H等材料焊接工藝評(píng)定，驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)用水冷壁、過(guò)熱器、集箱、減溫器和管道也已制造完成。2015年12月30日，我國(guó)700 ℃鍋爐高溫材料試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)在南京電廠成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，蒸汽溫度為725 ℃，蒸汽流量為3 kg/s，蒸汽壓力為26.8 MPa，與原320 MW超臨界機(jī)組一致。計(jì)劃在700 ℃機(jī)組鍋爐高溫材料驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)長(zhǎng)期運(yùn)行后，對(duì)管子和管道母材及焊接接頭試樣進(jìn)行性能評(píng)定試驗(yàn)。

3鍋爐過(guò)熱器候選新材料性能

過(guò)熱器是700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐的關(guān)鍵部件，過(guò)熱器材料需滿足下列要求：高的高溫持久強(qiáng)度、優(yōu)良的抗煙氣腐蝕和抗蒸汽氧化特性、良好的焊接性能、良好的加工成形特性。

600 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐用T91、T92、TP347H、TP347HFG、Super304H、TP310HCbN小口徑管制造過(guò)熱器。700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器設(shè)計(jì)壓力為40 MPa左右，出口段管子金屬溫度為750 ℃左右。700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器候選新材料是Sanicro25更高強(qiáng)度奧氏體鋼小口徑管、HR6W鐵鎳基合金小口徑管、617mod和740H鎳基合金小口徑管。700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器候選新材料的化學(xué)成分、物理參數(shù)見表1和表2，力學(xué)性能、許用應(yīng)力見圖3～圖5。

表1　化學(xué)成分　%

表2　物理性能

圖3屈服強(qiáng)度

1—S31035(Sanicro25)許用應(yīng)力取自ASME Code Case 2753；2—UNS N06674(HR6W)許用應(yīng)力取自ASME Code Case 2684-2；3—617mod許用應(yīng)力根據(jù)蒂森克虜伯公司提供的性能數(shù)據(jù)，以ASME規(guī)則計(jì)算得來(lái)；4—UNS N07740(740H)許用應(yīng)力取自ASME Code Case 2702-1。

圖5許用應(yīng)力

我國(guó)已經(jīng)完成Sanicro25、HR6W、617mod、740H小口徑管彎管試驗(yàn)及焊接工藝評(píng)定，并對(duì)這些材料的小口徑管及其焊接接頭進(jìn)行了10 000多小時(shí)的高溫持久強(qiáng)度等性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明其性能滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

4鍋爐過(guò)熱器選材分析

600 MW、700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器管子外徑一般為38～48 mm，不同外徑、不同材料過(guò)熱器管子的設(shè)計(jì)壓力和平均壁厚與管子金屬設(shè)計(jì)溫度的關(guān)系見圖6～圖12(按ASME計(jì)算，留有一定附加余量)。

目前，各鍋爐廠廣泛使用T91、T92、TP347H、TP347HFG、Super304H、TP310HCbN設(shè)計(jì)制造超超臨界鍋爐過(guò)熱器，其過(guò)熱器管子壁厚為7～10 mm。在選材時(shí)需綜合考慮過(guò)熱器管子壁厚不能太厚，管子內(nèi)壁需要具有優(yōu)良的抗高溫蒸汽氧化性能，管子外壁需要具有優(yōu)良的抗高溫?zé)煔飧g性能，以及各溫度段過(guò)熱器管子的金屬設(shè)計(jì)溫度。

從上述分析可以看出：在625 ℃，Sanicro25許用應(yīng)力比TP310HCbN高55%；在650～675 ℃，Sanicro25許用應(yīng)力比TP310HCbN高63%。由于Sanicro25更高強(qiáng)度奧氏體小口徑管許用應(yīng)力比HR6W鐵鎳基合金小口徑管許用應(yīng)力高，價(jià)格比HR6W鐵鎳基合金小口徑管價(jià)格低，所以優(yōu)先選用Sanicro25更高強(qiáng)度奧氏體小口徑管制造700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐低溫段過(guò)熱器。使用Sanicro25代替TP310HCbN制造700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器，可以降低過(guò)熱器管子壁厚，提高過(guò)熱器對(duì)鍋爐變工況運(yùn)行的適應(yīng)性。對(duì)于管子金屬設(shè)計(jì)溫度在630～680 ℃的過(guò)熱器，可以選用Sanicro25更高強(qiáng)度奧氏體鋼小口徑管。由于740H抗煙氣腐蝕性能優(yōu)于617mod，所以對(duì)于管子金屬設(shè)計(jì)溫度超過(guò)680 ℃的高溫段過(guò)熱器，需要選用740H鎳基合金小口徑管。

5結(jié)語(yǔ)

(1) 700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐候選新材料Sanicro25更高強(qiáng)度奧氏體小口徑管、HR6W鐵鎳基合金小口徑管、617mod和740H鎳基合金小口徑管及焊接接頭的性能滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) Sanicro25更高強(qiáng)度奧氏體小口徑管和740H鎳基合金小口徑管等新材料的高溫持久強(qiáng)度滿足700 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器對(duì)新材料的性能要求。

(3) 對(duì)于管子金屬設(shè)計(jì)溫度為630～680 ℃的700 ℃超超臨界鍋爐低溫段過(guò)熱器可以選用Sanicro25更高強(qiáng)度奧氏體小口徑管制造，對(duì)于管子金屬段設(shè)計(jì)溫度高于680 ℃的700 ℃超超臨界鍋爐高溫段過(guò)熱器可以選用740H鎳基合金小口徑管制造。

(4) Sanicro25更高強(qiáng)度奧氏體小口徑管和740H鎳基合金小口徑管等新材料的焊接工藝評(píng)定及焊接接頭高溫持久強(qiáng)度已經(jīng)滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)要求，并且有能力進(jìn)行Sanicro25和740H等新材料小口徑管的彎管成型加工制造。

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Materials Selection for Boiler Superheater of 700 ℃ Ultra Supercritical Units

Wang Chongbin, Zhu Yufeng, Wang Yu, Xu Ruoyu, Qin Sheng, Zhu Geng

(Shanghai Boiler Works Co., Ltd., Shanghai 200245, China)

Abstract：The properties of small-diameter tubes or pies made of following candidate materials were introduced for the superheater of 700 ℃ ultra supercritical boilers, such as the austenitic stainless steel Sanicro25, Fe-Ni-based alloy HR6W, Ni-based alloy 617mod and Ni-based alloy 740H, etc. Meanwhile, suitable service temperature ranges of tubes Super304H, TP310HCbN, Sanicro25, HR6W, 617mod and 740H for the superheater of 700 ℃ ultra supercritical boilers were also analyzed, based on which suggestions were proposed for material selection of boiler superheater in 700 ℃ ultra supercritical units.

Keywords：ultra supercritical unit; superheater; material property

收稿日期：2015-11-20

基金項(xiàng)目：科技部國(guó)家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題(2012AA050502)

作者簡(jiǎn)介：王崇斌(1956—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電站鍋爐金屬材料研究。E-mail: 18017908209@189.cn

中圖分類號(hào)：TK225

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-086X(2016)03-0168-05