我國超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子鍛件材料研發(fā)建議

呂振家，彭建強(qiáng)，鞠紅霞，周立艷

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱， 150046)

0 引言

眾所周知，提高進(jìn)汽溫度，可以顯著提高汽輪發(fā)電機(jī)組的效率，降低有害氣體排放。因此，國內(nèi)外汽輪機(jī)制造商都在努力提高其機(jī)組的蒸汽溫度。目前，已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行的超超臨界汽輪機(jī)蒸汽溫度已經(jīng)達(dá)到620℃，國內(nèi)外正在研發(fā)630℃～650℃甚至更高溫度的超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組。

高溫轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)最核心的部件之一，因此，國內(nèi)外汽輪機(jī)制造商都非常重視高溫轉(zhuǎn)子鍛件材料的研發(fā)工作。9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼具有極佳的力學(xué)性能和物理特性匹配，非常適于制造汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子。通過幾十年的努力，歐洲、日本等均開發(fā)出了一系列高溫轉(zhuǎn)子用9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼。

本文論述了歐洲、日本及國內(nèi)超超臨界高溫轉(zhuǎn)子鍛件材料研發(fā)情況，結(jié)合國內(nèi)9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子鍛件的實(shí)際研發(fā)情況，給出我國超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子鍛件的研發(fā)建議。

1 國內(nèi)外高溫轉(zhuǎn)子鍛件材料發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 歐洲

通過一系列COST計(jì)劃（COST 501、522、536等），歐洲已經(jīng)成功開發(fā)出了600℃等級(jí)COST E、COST F以及630℃等級(jí)COST FB2等9%～12%鐵素體耐熱轉(zhuǎn)子鋼，且這些轉(zhuǎn)子鋼已經(jīng)廣泛用于各類超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子中。

表1是COST E、COST F和COST FB2的化學(xué)成分，圖1是FB2與COST E和F轉(zhuǎn)子鋼的持久強(qiáng)度比較。

表1 COST E、COST F和COST FB2的化學(xué)成分[1-2]單位：wt%

圖1 FB2與COST E和F轉(zhuǎn)子鋼的持久強(qiáng)度比較[3]

為了滿足650℃管的用材要求，日本材料專家提出了MARBN鋼的概念，即添加B和N的馬氏體耐熱鋼，名義成分為 （9Cr-3Co-3W-VNbNB），并開展了相關(guān)的研究工作。歐洲在MARBN鋼研發(fā)的基礎(chǔ)上，正在開展630℃～650℃高溫轉(zhuǎn)子鋼鍛件的研發(fā)工作，其命名為COST NPM1。目前，歐洲伯樂、SAAR等鍛件廠家已經(jīng)完成試驗(yàn)室小爐研發(fā)工作，對(duì)MARBN鋼的熱處理和持久性能及組織演變進(jìn)行了詳細(xì)研究，MARBN鋼鍛件的化學(xué)成分如表2所示，其持久性能與其他鋼的對(duì)比如圖2所示。

表2 COST NPM1的化學(xué)成分[4]單位：wt%

圖2 COST NPM1在650℃與其他鋼種持久強(qiáng)度比較[4]

歐洲正擬開展30 t以上大型鍛件開發(fā)工作。對(duì)于大型轉(zhuǎn)子鍛件，則存在如下難點(diǎn)：

（1）大型鋼錠組織均勻性問題；

（2）為獲所需性能，最佳熱處理工藝確定問題；

（3）大型鍛件內(nèi)部缺陷的UT探傷問題。

另外，考慮到成分如此復(fù)雜的鋼種可能僅能制造輪盤鍛件，因此，還有考慮NPM1鋼的可焊性問題。

1.2 日本

日本在超超臨界汽輪機(jī)用9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼研究方面處于世界領(lǐng)先地位，開發(fā)出來了一系列9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼，比如改良型TMK1、TOS107、TMK2、HR1100 等， 添加 Co 和 B 的新型 9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子鍛件TOS110、MTR10A、HR1200等。其中MTR10、HR1200等可以用于630℃等級(jí)轉(zhuǎn)子。

表3和圖3是日本開發(fā)的高溫轉(zhuǎn)子用各類9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分和持久曲線。

表3 高溫轉(zhuǎn)子用9%～12%Cr鋼的化學(xué)成分[2]單位：wt%

圖3 日本研發(fā)的超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子用鋼蠕變持久曲線[5]

日本JCFC公司在9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子研究和制造方面有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，自1991年以來，已經(jīng)交貨近200根各類9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子鍛件[3]。為了滿足630℃～650℃轉(zhuǎn)子用鋼的要求，JCFC對(duì)MARBN鋼進(jìn)行了深入研究，開展了4種成分MARBN鋼（見表4）的熱處理工藝、蠕變持久及組織性能研究，并給出了4種成分MARBN鋼的蠕變持久曲線，如圖4所示。研究表明N4最有可能用于630℃以上轉(zhuǎn)子鋼。

表4 JCFC研發(fā)的MARBN鋼試驗(yàn)成分[6]

圖4 JCFC研制的MARBN鋼的持久強(qiáng)度[6]

日本JSW公司在9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子研發(fā)和制造方面也有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。也開展了大量630℃～650℃高溫轉(zhuǎn)子的研究工作，其試驗(yàn)轉(zhuǎn)子鋼成分如表5所示，經(jīng)研究表明，Co3W4鋼可以用于635℃，其持久曲線見圖5。

表5 JSW試驗(yàn)轉(zhuǎn)子鋼成分[7]

圖5 JSW公司研制的Co3W4鋼的持久曲線[7]

1.3 中國

國內(nèi)在引進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)時(shí)，也開展了改良型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼 （比如COST E、TOS107等）轉(zhuǎn)子鍛件的國產(chǎn)化工作，并基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化目標(biāo)，成功制造出大型轉(zhuǎn)子鍛件，但是鍛件的合格率較低，性能水平與國外還有一定差距。目前，國內(nèi)轉(zhuǎn)子鍛件廠家在開展改良型9%～12%Cr鋼轉(zhuǎn)子鍛件的性能提升及630℃等級(jí)FB2轉(zhuǎn)子鍛件的研發(fā)工作。

北京鋼研總院成功開發(fā)出了可以用于630℃～650℃的管材G115，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，部分產(chǎn)品規(guī)格管如表6所示。

表6 G115的產(chǎn)品規(guī)格管道及制造工藝[8]

2 我國630℃～650℃超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子鍛件研發(fā)建議

歐洲、日本等在電站用9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼研究方面已經(jīng)開展了數(shù)十年深入而廣泛的研究，對(duì)于高參數(shù)汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子材料，也已經(jīng)成功開發(fā)出了滿足不同參數(shù)等級(jí)的系列鋼種。我國在電站材料研究和應(yīng)用方面也有著非常好的研究基礎(chǔ)和能力，并且在上世紀(jì)八九十年代引進(jìn)美國西屋公司亞臨界汽輪發(fā)電技術(shù)時(shí)，對(duì)電站用材料也開展了深入而有效的工作，完全掌握了亞臨界材料技術(shù)。

然而，進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，雖然國內(nèi)主機(jī)廠均從國外引進(jìn)了先進(jìn)的超臨界、超超臨界技術(shù)，但是由于引進(jìn)的技術(shù)源頭較多，各主機(jī)廠及研究院所研究力量和資源比較分散等原因，對(duì)于超超臨界汽輪機(jī)，僅解決了葉片、緊固件等小型關(guān)鍵的國產(chǎn)化問題。對(duì)于高溫轉(zhuǎn)子用9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子鍛件，雖然國內(nèi)的主機(jī)廠和重機(jī)廠在聯(lián)合開發(fā)，但是進(jìn)展緩慢，至今高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)用9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子仍以進(jìn)口為主。

如前所示，歐洲、日本等雖然都開發(fā)出了一系列高溫轉(zhuǎn)子用9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼，且鋼種高達(dá)10余種，然而，同一使用溫度的鋼種的化學(xué)成分和力學(xué)性能非常相似，完全可以根據(jù)使用溫度整合為4種材料，如下：

（1）566℃等級(jí)常規(guī) 9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼；

（2）600℃等級(jí)改良型9%~12%Cr鐵素體耐熱鋼；

（3）620℃~630℃等級(jí)新型9%~12%Cr鐵素體耐熱鋼；

（4）630℃~650℃等級(jí)超級(jí)9%~12%Cr鐵素體耐熱鋼。

根據(jù)我國高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)高溫轉(zhuǎn)子的用材需求，并考慮到我國電站材料的實(shí)際研發(fā)和應(yīng)用情況，對(duì)我國高溫轉(zhuǎn)子鍛件材料的研發(fā)，應(yīng)重點(diǎn)開展以下工作：

（1）在前期改良型9%~12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子鍛件的研發(fā)基礎(chǔ)上，優(yōu)選一種成分，進(jìn)一步完善和提升鍛件的制造工藝和性能水平。

（2）盡快開展620℃~630℃等級(jí)新型9%~12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子鍛件研究及工程化應(yīng)用工作，實(shí)現(xiàn)鍛件的國產(chǎn)化。

（3）盡快開展超級(jí)9%~12%Cr鐵素體耐熱鋼轉(zhuǎn)子鍛件研究工作。