超超臨界鍋爐管道用鋼的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張書輝，冉堅強(qiáng)

（六盤水市特種設(shè)備檢驗所，貴州 六盤水 553000）

0 引言

我國是一個煤炭大國，現(xiàn)階段，火力發(fā)電是我國提供電力的主要方式，其次是水力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，在未來較長的一段時間內(nèi)，火力發(fā)電仍將占主導(dǎo)地位。近年來，全球能源危機(jī)變得越來越嚴(yán)重，煤炭作為火力發(fā)電的主要燃料，供應(yīng)日益短缺，因此包括節(jié)能減耗在內(nèi)的環(huán)境保護(hù)已成為各行各業(yè)的主流思想。在當(dāng)前的情況下，超超臨界燃煤技術(shù)更加適用，其技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，具有良好的可行性[1]。

在超超臨界電站鍋爐、管道和壓力容器領(lǐng)域，對鋼的要求很高。對于鍋爐領(lǐng)域來說，其所用鋼材的發(fā)展十分迅速。開展超超臨界電站建設(shè)時，還存在著大量亟待解決的問題，為了保障其運(yùn)行的安全性，應(yīng)當(dāng)采用高質(zhì)量的材料。隨著鍋爐運(yùn)行參數(shù)的提升，迫切需要開發(fā)具有高溫強(qiáng)度和抗氧化、抗腐蝕性能的材料。特別是鍋爐中溫度最高的過熱器以及再熱器管道，對高溫強(qiáng)度和抗氧化、抗腐蝕性能要求更高。并且，需要注意的是，提高鍋爐的效率會對煙霧的排放產(chǎn)生影響，主要體現(xiàn)在減少碳化物、硫化物以及氮化物氣體的排放量上，有利于保護(hù)大氣。所以，為了更好地實現(xiàn)我國所提出的減排節(jié)能目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步發(fā)展超超臨界電站鍋爐，促進(jìn)其參數(shù)值不斷提升[2]。本文主要介紹了超超臨界電站鍋爐以及管道用鋼的研究現(xiàn)狀以及未來發(fā)展亟需解決的問題。

1 超超臨界電站的發(fā)展

在過去的一個時期里，因為世界范圍內(nèi)環(huán)境逐漸惡化，使得各國也有了更加強(qiáng)烈的環(huán)保意識，從而形成了更高的關(guān)于降低固體廢棄物與溫室氣體排放量的呼聲。隨著能源問題日益嚴(yán)重，火力發(fā)電面臨著雙重壓力。因此，世界各國一直競相開發(fā)燃煤效率更高的超超臨界發(fā)電站。

在逐漸地提高燃煤電站的相關(guān)參數(shù)之后，也將相應(yīng)地增大其發(fā)電效率，此外，機(jī)組類型將會從之前的普通高壓機(jī)組而逐漸地變成超臨界機(jī)組。在相同的條件下，超超臨界機(jī)組不僅節(jié)約能源，而且減少污染排放，表現(xiàn)出節(jié)能減排的顯著優(yōu)勢。現(xiàn)在，包括日本與歐美等發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體均致力于研究開發(fā)超超臨界燃煤領(lǐng)域的新技術(shù)，而且針對此制定了各自的發(fā)展規(guī)劃，目的是更好地將高壓及高溫環(huán)境條件之下應(yīng)用的新鋼種研發(fā)出來，并取得良好的應(yīng)用[3]。

總而言之，環(huán)境與能源共同地推動燃煤發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，使之逐步地過渡到超超臨界機(jī)組，在此過程中，高性能的高溫材料則會起到非常重要的作用，其技術(shù)創(chuàng)新必然有助于進(jìn)一步提升超超臨界電站的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。

2 超超臨界電站鍋爐用奧氏體耐熱鋼的發(fā)展

2.1 鍋爐用奧氏體耐熱鋼的性能要求

對于超超臨界電站鍋爐來說，處于高壓高溫狀態(tài)的蒸汽將會先通過水冷壁，然后為過熱器與再熱器管，并且先后通過集熱箱與主蒸汽管道，在此過程中，其壓力與溫度將會不斷上升。為了確保上述部件能夠安全有效地工作，應(yīng)當(dāng)采用高溫力學(xué)性能良好的合金或是耐熱鋼。研究發(fā)現(xiàn)，該領(lǐng)域所用的高溫承壓部件所需具備的主要性能如下所述：①常溫力學(xué)性能：材料應(yīng)當(dāng)具有良好的沖擊韌性、屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度；②高溫性能：應(yīng)具有較高的高溫組織穩(wěn)定性、抗蠕變性與高溫持久強(qiáng)度等；③化學(xué)性能：材料應(yīng)當(dāng)具有較高的抗蒸汽腐蝕與抗氧化性能；④工藝性能：采用應(yīng)有較高的熱彎曲、焊接以及熱加工等方面的性能；⑤物理性能：具有較高的導(dǎo)熱性能與比較小的熱膨脹系數(shù)；⑥良好的經(jīng)濟(jì)性：所選材料應(yīng)有較高的性能價格比[4]。

現(xiàn)在，在各國的600℃蒸汽超超臨界電站鍋爐當(dāng)中，使用比較多的是奧氏體耐熱鋼材料。

2.2 奧氏體耐熱鋼的發(fā)展

經(jīng)近40年的研究，通過添加以及優(yōu)化合金元素，調(diào)整強(qiáng)碳化物形成元素Ti和Nb，此外還需對C與Mo兩種元素的含量進(jìn)行調(diào)整，從而進(jìn)一步提升抗氧化及高溫強(qiáng)度等性能，進(jìn)行各種牌號18Cr-8Ni型奧氏體耐熱鋼的全面開發(fā)，逐步完成者25Cr-20Ni型的改型工作，且有效地應(yīng)用于再熱器和過熱器等重要部件當(dāng)中[5]。然而，由于蒸汽參數(shù)逐漸增加，之前所用的18Cr-8Ni型耐熱鋼材料已經(jīng)難以適用于新的工作環(huán)境，所用需要逐漸地選擇具有更高Cr含量的25Cr-20Ni型奧氏體耐熱鋼材料，以提升運(yùn)行的效率。

在當(dāng)前該類鍋爐所用再熱器管及過熱器當(dāng)中，所用材料均是25Cr-20Ni型及18Cr-8Ni型的衍生材料，考慮到進(jìn)一步增加高溫強(qiáng)度的問題，而加入了適量Nb元素與數(shù)量比較少的N元素，在某些鋼中添加了W、Mo、V和B元素，甚至在某些鋼中添加了一些Cu元素，以形成優(yōu)異的富Cu相強(qiáng)化效果。現(xiàn)在，HR3C、Super304H與 TP347H等型號的新材料正是基于該思想而得以開發(fā)出來，且取得了良好的應(yīng)用成效。

3 超超臨界電站鍋爐用新型不銹鋼的發(fā)展

現(xiàn)階段，國內(nèi)正在運(yùn)行或是在建超超臨界電站均采用600℃的蒸汽溫度值，所以，對于其中的再熱器及過熱器管道來說，所用材料的工作溫度應(yīng)當(dāng)達(dá)到650℃。相應(yīng)地，在全面地考慮鍋爐成本、主要性能及工作條件等因素的基礎(chǔ)上，主要選用了HR3C、Super304H與 TP347H等奧氏體耐熱不銹鋼材料。

3.1 TP347H/TP347HFG耐熱鋼

目前，TP347H型號耐熱鋼材料已經(jīng)被大量地應(yīng)用于再熱器和過熱器管道當(dāng)中，主要是基于18Cr-9Ni材料，并將適量Nb添加進(jìn)去，從而形成NbC金屬間化合物來作為重要的強(qiáng)化相，因此被認(rèn)為是非常重要的一種高溫金屬材料。分析發(fā)現(xiàn)，因為采用比較低的冷軋溫度，同時變形加熱過程中僅有比較短的停留時間，因此不會顯著地影響到制管工藝可能導(dǎo)致的NbC化合物析出數(shù)量。所以，如果采用合理的熱加工及熱處理工藝技術(shù)，將有可能使該型號的材料實現(xiàn)晶粒細(xì)化，甚至可達(dá)ASTM8級或更高，開發(fā)出性能優(yōu)良的TP347HFG新鋼種，其原理如圖1所示，也就是基于現(xiàn)在的工藝技術(shù)，將軟化處理工藝加入，此時其溫度是超過固溶溫度的。

我國有研究人員在該工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，全面地探討了各種晶粒度條件之下TP347HFG材料的高溫氧化行為及機(jī)理，在圖2中給出了該材料在水蒸氣溫度為650℃時被氧化共計1000h以后樣品氧化層當(dāng)中的微觀形貌特征[6]?？梢园l(fā)現(xiàn)，如果在該材料中的晶粒尺寸越均勻且有更小的晶粒度，則可形成薄且均勻的氧化層，此外，在它和基體間將會出現(xiàn)連續(xù)性較高的深褐色愈合層，從而使材料的氧化速率顯著減小。

于鴻垚等通過透射電鏡研究了TP347H鋼在650℃下時效后顯微組織的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微米級尺度的碳化物在整個時效過程當(dāng)中，其尺寸比較穩(wěn)定，而在進(jìn)行了較長時間的時效處理之后，將出現(xiàn)尺寸大約為幾十個納米大小的富Nb碳化物沉淀相，它們均布于晶粒當(dāng)中，有著良好的穩(wěn)定性，所以使鋼材具有良好的持久強(qiáng)度[7]。

3.2 Super304H耐熱鋼

現(xiàn)在，該型號的不銹鋼材料已經(jīng)比較廣泛地應(yīng)用在超超臨界電站鍋爐當(dāng)中。它是在ASME SA-213 TP304H的基礎(chǔ)上開發(fā)的。在適當(dāng)?shù)販p少M(fèi)n含量的基礎(chǔ)上，再添加0.45%含量Nb與3%含量Cu元素，此外還需少量N元素。需對該材料進(jìn)行高溫軟化處理，并且在超過1150℃的溫度之下進(jìn)行金屬材料的固溶處理，最終可形成單一奧氏體組織，具有超過7級～8級的晶粒尺寸。此外，還進(jìn)行內(nèi)表面的噴丸處理，從而使尺寸為幾十微米大小的細(xì)晶粒區(qū)形成在表面區(qū)域中，所以進(jìn)一步提升了材料的抗氧化性能。實際使用的時候，在奧氏體晶粒內(nèi)部將會有細(xì)小富銅相析出來，再和其它的第二相顆粒共同作用而提升強(qiáng)化的整體效果。對于該類耐熱鋼材料而言，因為形成均勻分布的銅相顆粒，從而起到了顯著的增強(qiáng)作用，極大地提升了工作溫度環(huán)境之下的許應(yīng)力。測試結(jié)果表明，在650℃溫度時該材料的許用應(yīng)力值超過TP347H材料31%，而在700℃的溫度下，該材料許用應(yīng)力值超過TP304H材料大約90%。在650～700℃時的蠕變強(qiáng)度是傳統(tǒng)TP304H奧氏體鋼的1.7～1.9倍，是TP347H奧氏體鋼的1.3～1.5倍。材料的抗蒸汽氧化性能接近于TP347HFG材料，比TP321H的性能更高。對于TP347H與TP304H材料，耐蒸汽氧化性與耐高溫腐蝕性得以改善，具有更好的性能價格比與焊接性能[8]。

3.3 HR3C耐熱鋼

在工作溫度提高的超超臨界電站中，過熱器和再熱器的高壓水蒸氣對金屬的氧化腐蝕更加嚴(yán)重，為此，在過熱器和再熱器的這一段高溫中必須使用耐熱鋼，具有較高的耐熱性。因為焊接性、高溫蠕變性與抗氧化腐蝕性均更高，已經(jīng)將高含量的Cr元素及Ni元素HR3C耐熱鋼材料視作為非常重要的候選材料之一。它最初由日本住友研發(fā)出來，且逐步推向市場。它在25-20型奧氏體耐熱鋼TP310H的基礎(chǔ)上增加了0.20%～0.60%Nb和0.15%～0.35%N，這大大提高了材料的高溫強(qiáng)度，同時具有很高的抗氧化性和良好的高溫強(qiáng)度。主要的組成特點(diǎn)就是提高Cr元素的質(zhì)量百分比為25%，而且提高Ni元素的含量至20%。所以，在經(jīng)過了長時間的使用之后，其中的Cr元素將會逐漸地擴(kuò)散至材料的表面區(qū)域，而且和氧發(fā)生反應(yīng)并形成致密度較高的氧化層，提升了材料的抗氧化性能。相較于TP347HFG與Super304H等材料，由于HR3C的鉻質(zhì)量百分比為25%，因此其耐蒸汽腐蝕性顯著更好。所以對該類不銹鋼材料來說，無需增加額外的要求而加至八級或更高晶粒度等級，或者說，在管道成形工藝過程當(dāng)中，其晶粒度保持1～2級，在超超臨界再熱器以及過熱器等管道的應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中具有良好的發(fā)展?jié)撡|(zhì)[9]。

4 結(jié)論

大力發(fā)展超超臨界電站是中國電力工業(yè)的發(fā)展方向。在世界火力發(fā)電廠不斷升級的情況下，我國已大量建設(shè)并投入運(yùn)行600℃的超超臨界火力發(fā)電廠，這需要大量的新型高強(qiáng)度奧氏體耐熱鋼。為進(jìn)一步促進(jìn)超超臨界電站的性能提升與發(fā)展，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)做好新型奧氏體耐熱鋼材料的深度研究開發(fā)工作。對于比較常見耐熱鋼材料如HR3C、Super304H與TP347H來說，它們均會受到第二相強(qiáng)化作用的顯著影響，其中富銅相的作用尤其重要，可以起到較大的析出強(qiáng)化作用，從而使材料可在高溫環(huán)境中同樣保持較高的蠕變強(qiáng)度?，F(xiàn)在，這些主要的奧氏體耐熱鋼材料均通過合理的工藝而提升了高溫性能，為了更加有利于進(jìn)一步增加超超臨界電廠的運(yùn)行參數(shù)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高材料當(dāng)中的Cr元素與Ni元素的占比，并通過多次合金化，形成MX相、富Cu相以及M23C6和NbCrN復(fù)合增強(qiáng)材料，并依靠合理的冷熱成型和加工技術(shù)，確保合適的晶粒度和表面質(zhì)量，提升材料的抗氧化性，且促進(jìn)其高溫強(qiáng)度的提高。