7-超超临界火电厂材料研究综述及选材分析-50

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1、超超临界火电厂材料研究综述及选材分析周荣灿范长信（西安热工研究院有限公司，陕西西安710032）摘要：超超临界火力发电是现阶段技术上最成熟、技术经济性最好的已经实现商业运行的火电技术，在最近数十年将有广阔的应用前景。由于蒸汽温度和压力的提高对关键部件的抗蠕变、疲劳、高温氧化与腐蚀等性能都提出了更苛刻的要求，耐热材料的开发及其应用是发展超超临界发电技术的最重要的基础。本文对国际上各阶段的研究计划及其中的材料研究内容进行了简要介绍。并对超超临界发电机组中各关键部件采用的耐热材料的发展进行了回顾。国内近已有数台超超临界机组开始投入建设，超超临界火电技术在我国有着非常广阔的发展前景。但国内目前机组的

2、建设只能立足于材料的国际采购，对于新型耐热材料还需要进行大量的加工工艺研究和服役特性研究，以保障机组顺利建设和安全可靠运行。本文同时对现阶段超超临界火力发电机组所采用的几种典型新型耐热钢的性能进行了归纳和介绍，并根据机组的不同参数对锅炉部件材料的选择进行了分析和讨论。关键词：超超临界火电厂；耐热钢；性能；选材1前言火力发电行业目前面临两方面的压力，首先市场竞争的加剧需要降低发电成本，另一方面人们对全球环境问题日益关注，要求电厂降低SOX、NOx、CO2的排放，满足严格的环保要求。发展洁净煤发电技术是解决这些问题的关键，就目前以及将来一段时间内，在众多的洁净煤发电技术中超超临界发电技术的继承性

3、和可行性最高，同时具有较高的效率和最低的建设成本。除了上世纪50、60年代投运的几台超超临界机组外，从90年代初到目前为止全世界已经新建超超临界机组超过60台，其参数还在不断地提高。我国也正积极发展超超临界燃煤发电技术，已经有几座超超临界电厂正在建设之中。2材料技术在超超临界发电中的作用超超临界机组相对超临界机组蒸汽温度和压力参数的提高对电站关键部件材料带来了更高和更新的要求,尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、冷加工和热加工性能等，因此材料和制造技术成为发展先进机组的技术核心。国际上已经在运营或在设计建设阶段的超超临界机组温度参数大多在566－620℃，压力则分为25MPa、27M

4、Pa和30-31MPa三个级别。高的蒸汽参数对电站用钢提出了更苛刻的要求，对锅炉来说具体表现在：高温强度对于主蒸汽管道、过热器/再热器管、联箱和水冷壁材料都必须有与高蒸汽参数相适应的高温持久强度。高温腐蚀烟气侧的腐蚀是影响过热器、再热器、水冷壁寿命的一个重要因素，当金属温度提高，烟气腐蚀将大幅度上升，因此超超临界机组中腐蚀问题更加突出。蒸汽侧的氧化运行温度的提高加剧了过热器、再热器甚至包括联箱和管道等蒸汽通流部件的蒸汽侧氧化，这将导致三种后果：氧化层的绝热作用引起金属超温；氧化层的剥落在弯头等处堵塞引起超温爆管以及阀门泄漏；剥落的氧化物颗粒对汽机前级叶片的冲蚀。因此在过热器、再热器等材料选择

5、中应充分考虑到抗蒸汽氧化及氧化层剥落性能。热疲劳性能由于机组启停、变负荷和煤质波动引起的热应力，对于主蒸汽管道、联箱、阀门等厚壁部件，材料的抗热疲劳性能是与高温强度同等重要的指标，应在保证强度的前提下尽可能选择热导率高和热膨胀系数低的铁素体耐热钢。对汽机而言，其中的转子、叶片以及其它旋转部件承受巨大的离心力，运行参数的提高对耐热钢的热强性能提出了更高要求，而汽缸、阀门等由于温度和压力的提高也需要更好的热强性能，高温紧固件需要有更高的拉伸屈服强度和蠕变松弛强度、在蒸汽环境下的抗应力腐蚀能力以及足够的韧性、塑性以避免蠕变裂纹形成。机组的启停、变负荷与煤质的波动要求厚壁部件如转子、缸体、阀门材料有

6、低的热疲劳和蠕变疲劳敏感性。对再热蒸汽温度高于593℃的低压转子还必须考虑材料在该温度范围内的回火脆性。3国外耐热钢开发计划历史上曾经在50-60年代投运了几台USC机组，包括美国Philo6#（125MW，31MPa/621℃/565℃/538℃）、Eddystone1#（325MW，34.5MPa，649℃/566℃/566℃）、英国的Drakelow12#（375MW，24MPa/593℃）、联邦德国Hüls化工厂的自备电厂1机（85MW，29.4MPa，600℃/560℃/650℃）等。但由于技术和经济原因，美国和德国的机组都只能降低参数运行，如Eddystone1#大多数时间是在3

7、2.4MPa/605℃的参数下运行，制造和运行中出现的多数的问题都是材料问题，受当时的材料技术水平限制，厚壁部件采用奥氏体耐热钢，奥氏体钢的低导热系数和高热膨胀系数引起高温热应力和疲劳开裂。考虑到建设成本和可用率，后来新建的机组退回到了亚临界参数。直到70年代中期能源危机的出现及随后的燃料价格攀升才使人们重新考虑高参数发电技术，促成了一系列发展超临界和超超临界发电技术的合作研究计划。由于已充分认识到耐热材料对