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    新聞中心

    700℃超超臨界火電機組鍋爐合金進展

    作者:創始人 日期:2020-10-28 人氣:365

    摘 要:本文概述了目前世界各國正在進行的700℃參數超超臨界火電機組鍋爐合金的進展,用于700℃壁溫大口徑管和用于750℃小口徑管的特點和性能,選材的取舍和難點。

    前言

    目前我國一次能源結構中煤炭占主導地位,是世界上最大的煤炭生產國和消費國,這種結構今后幾十年不會有大的變化,2010年我國消費原煤31.8億噸,其中火電用煤超過50%。預計2020年全國發電裝機容量將由現在約9.5億千瓦發展到17億千瓦,煤電裝機容量超過10億千瓦。我國已經承諾2020年單位GDP的二氧化碳排放比2005年下降40~45%,因此,火電機組提高參數以提高熱效率、降低氣體排放量是關鍵問題。2010年7月國家能源局就決定啟動700℃先進超超臨界火力發電機組的研制。

    歐洲于1998年1月啟動“AD700”計劃,目標是建立37.5MPa/705℃/700℃(1998-2014)示范電站,機組熱效率超過50%。美國的目標是開發37.9MPa/732℃/760℃(2001-2015)機組,熱效率超過50%。日本于2008年8月啟動A-USC(先進的超超臨界壓力發電)項目,35MPa/700℃/720℃,熱效率48~50%(2008-2015)。

    蒸汽參數與電廠熱效率、發電煤耗的關系列于表1。

    表1 蒸汽參數與電廠熱效率、發電煤耗

    序號機組類型蒸汽壓力蒸汽溫度發電熱效率發電煤耗
    1亞臨界機組16.7MPa538℃/538℃42.3%291g/kWH
    2超臨界機組24.2MPa566℃/566℃43.8%281g/kWH
    3600℃超超臨界機組25.0MPa600℃/600℃45.4%271g/kWH
    4600℃二次再熱超超臨界機組35.0MPa600℃/620℃/620℃48.2%255g/kWH
    5700℃二次再熱超超臨界機組35.0MPa700℃/720℃/720℃51%241g/kWH

    我國火電機組經歷了20年的國產化過程,已經成熟地生產600℃參數的超超臨界機組,并大量投入運行。20年來機組設計水平極大提高,制造能力很強,鋼廠的設備先進,工藝穩定,技術水平一流,為開發700℃機組奠定了基礎。

    1. 700℃壁溫鍋爐合金的進展

    世界各主要國家都對700℃使用的鍋爐合金開展了大量的研究,歐洲重點開展了Inconel 617和Nimonic 263合金的研制,美國開展了Inconel 617、Haynes 230和Inconel 740H合金的研制,日本開展了HR6W、SAVE25、HR35、18-30-3、Inconel 617、Haynes 230、Nimonic 263合金的研制,瑞典開展了Sanicro 25合金的研制。我國也已開展研制,中科院沈陽金屬研究所研制GH2984合金,鋼鐵研究總院研制G110合金。

    700℃使用合金的主要成分列于表2,使用合金700℃的持久強度列于表3。

    Inconel 617是原國際鎳合金公司(INCO Alloys International)在上世紀70年代開發的固溶強化的高溫合金,合金中添加了Al和Ti形成少量的γ""相(約4~5%)析出強化,在時效態合金中還有少量M6C相和Ni2(Cr、Mo)相,沒有發現σ相和μ相。已納入ASME Code Case 1956。德國蒂森克虜伯的VDM公司進行成分優化發展了CCA 617。在歐洲AD700示范電站已選為700℃使用的主蒸汽管道用材。

    表2 700℃使用合金的主要成分(wt%)

    牌號CCrNiCoMoWNbTiAlSiMnFeCu其他
    Inconel 617(美)(CCA 617)0.062212.09.00.41.0≤1.0≤1.0≤1.5≤0.5≤0.006B
    Inconel 740H(美)0.0325200.51.51.351.350.150.30.7
    0.001B
    Nimonic 263(英)0.04-0.0819-2119-215.6-6.11.9-2.4≤0.60≤0.40≤0.60≤0.7≤0.20≤0.005B
    Haynes 230(美)(CC 2063)0.1022≤5.02.00.30.40.5≤3.0
    0.02La0.004B
    HR6W(日)0.08234360.080.41.2
    0.18V0.003B
    HR35(日)0.0630502.04.00.80.30.2
    0.3Zr
    SAVE25(日)0.1023182.50.450.11.03.50.2N
    18-30-3(日)
    1830


    3.0




    0.007B
    GH 2984(中)0.06192.21.11.10.4≤0.5≤0.533

    G110(中)≤0.1020-2530-351.0-2.51.0-2.51.0-2.51.0-2.51.0-2.0≤0.5≤0.5

    Inconel 625(美)(CC 1409)≤0.1020.0-23.0≤1.08.0-10.03.15-4.15≤0.40≤0.40≤0.50≤0.50≤0.50

    Sanicro 25(瑞典)0.0822.625.51.570.023.450.440.250.5030.24N

    表3 700℃使用合金700℃持久強度(105h外推值)

    牌號國家持久強度狀況
    Inconel 617(CCA 617)美國~130CCA 617合金是在Inconel 617(ASME CC1956)基礎上的改型,已制成大管,歐洲已有3萬小時數據
    Inconel 740H美國220~230是Inconel 740合金的改進型,組織穩定,美國已試制成功大管。
    Nimonic 263英國~180
    Haynes 230(CC 2063)美國105~110已試制大口徑管
    HR6W日本88日本已試制成功大口徑合金管,大管持久強度外推值為88MPa,焊接接頭外推值為85MPa
    HR35日本~110已試制管材,持久試驗已進行5萬小時
    SAVE25日本~90
    18-30-3日本100已試制管材,持久試驗已超過14000 h
    GH 2984中國100上世紀80~90年代生產的小管已應用10年
    G110中國~100正在試驗過程中
    Sanicro 25瑞典90~100已試制Φ41.4×8mm管

    Inconel 740是美國特殊金屬公司(SMC,Huntington)于2001年開發的高溫合金,主要依靠γ""相析出強化,γ’相約占10%~15%,時效態還有少量MC和M23C6碳化物,晶界上有G相析出,750~760℃長時時效態有較多的η相析出。經過成分優化研究開發出Inconel 740H,消除了G相和η相,保證了高溫長時組織穩定。美國公司已經生產出大口徑合金管,持久強度試驗已超過2萬小時,并推薦主蒸汽管道等大口徑管用Inconel 740H合金。由于Inconel 740H合金的持久強度很高,可以使管壁減薄,降低成本,目前有爭議的是Inconel 740H合金高溫長時時效態的室溫沖擊韌性較低,是否滿足大口徑厚壁管的應用。

    Nimonic 263是英國Rolls-Royce公司于1971年開發的高溫合金,加入6% Mo主要起固溶強化作用,加入Ti和Al析出約6%的γ’相形成析出強化,高溫時效態有少量MC和M23C6碳化物,有少量η相存在。由于持久強度高,700℃使用的大口徑管可以減壁厚。

    Haynes 230是美國哈氏合金公司(Haynes International)開發的固溶強化高溫合金,并已納入ASME Code Case 2063。高溫時效態有M23C6碳化物,沒有σ相,μ相析出,組織穩定。

    HR6W是日本住友金屬公司椹木義淳等人于1986年研制成功的Fe-Ni基合金,主要依靠W的固溶強化,B的間隙固溶強化和Nb、V形成納米級MX相的析出強化。高溫長時時效態組織穩定。日本已經試制大口徑厚壁管,700℃105h外推持久強度88MPa,焊接接頭持久強度85MPa,該合金的熱加工性能較好。

    HR35是日本住友金屬公司仙波潤之等人近年來新研制的固溶強化高溫合金,主要依靠W、Mo的固溶強化,并有Laves相和α-Cr相析出。該合金含30%Cr抗腐蝕性優良,持久強度高。

    SAVE25是日本住友金屬公司仙波潤之、椹木義淳等人于1997年研制成功的鍋爐耐熱鋼,是在HR6W鋼的基礎上降Ni,降W,添加Cu、Nb和N,使鋼的高溫持久強度與HR6W相當。其強化特點是加入1.5%W和0.2%N形成固溶強化,析出相強化有M23C6、Nb(C、N)、Z相及富Cu相強化。鋼中沒有Cr2N和π相。高溫抗腐蝕性能與HR3C相當,700℃105h外推持久強度91MPa。

    18Cr-30Ni-3Nb是日本約2006年研制的Fe-Ni基合金,該合金依靠Nb和B的固溶強化、Fe2M的Laves相和Ni3M析出相的析出強化,B的添加改善了Laves相在晶界的析出狀態。700℃105h持久強度外推值100MPa,目前持久試驗已經超過14000h。

    GH2984是我國中科院沈陽金屬所在上世紀70年代研制成功的Fe-Ni基高溫合金,依靠Mo的固溶強化和γ’相的析出強化,時效態合金中約有7.66%γ’相和3.09% σ相。該合金管Φ25×2.5mm在艦船鍋爐使用已達10年以上。

    G110是我國鋼鐵研究總院研制的Fe-Ni基合金,依靠W、Mo、Nb的固溶強化和γ’相的析出強化,時效態γ’相超過10%,并有少量Laves相、M23C6相及σ相。700℃105h持久強度可能達到100MPa。

    Inconel 625是美國金屬公司研制的固溶強化高溫合金,已納入ASME Code Case 1409。主要依靠Mo和Nb的固溶強化,有少量γ’相。該合金組織穩定,持久強度高。

    Sanicro 25是瑞典山特維克公司(Sandvik Materials Co.)研制的Fe-Ni基合金,主要依靠W和N的固溶強化和M23C6、NbCrN(Z相)、Nb(C、N)(即MX相)的析出強化以及富Cu相的強化。已經試制成功Φ41.4×8mm的合金管,700℃105h持久強度外推值100MPa,目前持久試驗進行已超過25000h,對比試驗表明高于NF709和HR3C。

    2. 750℃壁溫鍋爐含量的進展

    世界主要國家對750℃使用的鍋爐合金同時開展了大量的研究,美國開展了Inconel 740H合金、CCA617合金和Haynes 282合金的研制、歐洲開展了Inconel 740H合金、CCA617合金和Nimonic 263合金的研制,日本開展了Inconel 740H、CCA617、Nimonic 263以及TOS1X、LTESR700、FENIX700合金的研制。

    750℃使用合金的主要成分列于表4,使用合金750℃的持久強度列于表5。

    表4 750℃使用合金的主要成分(wt%)

     

    牌號CCrNiCoMoNbTiAlSiMnFeCu
    Inconel 740H(美)0.0325200.51.51.351.350.150.30.7
    0.001B
    Nimonic 263(英)0.04-0.0819-2119-215.6-6.11.9-2.4≤0.60≤0.40≤0.60≤0.7≤0.20≤0.005B
    Haynes 282(美)0.062010.08.52.11.5≤0.15≤0.30≤1.5
    0.005B
    Inconel 617(美)(CCA 617)0.062212.09.00.41.0≤1.0≤1.0≤1.5≤0.5≤0.006B
    Inconel 625(美)(CC 1409)≤0.1020.0-23.0≤1.08.0-10.03.15-4.15≤0.40≤0.40≤0.50≤0.50≤0.50

    GH 2984(中)0.06192.21.11.10.4≤0.5≤0.533

    表5 750℃使用合金持久強度(105h外推值)

     

    牌號國家持久強度狀況
    Inconel 740H美國140~170美國金屬公司已經向歐洲、日本供管。
    Nimonic 263英國105~110歐洲和日本都進行持久試驗。
    Haynes 282美國110~120美國Haynes公司已經生產出管,具體試驗數據不詳。
    Inconel 617(CCA 617)美國~80美國、歐洲和日本在750℃選材上一般未選CCA 617。
    Inconel 625美國~100歐、美在選材上一般都未選此合金。
    GH 2984(中)中國~50未進行750℃管材長時持久試驗。

    Haynes 282是美國Haynes公司開發的高溫合金,加入8.5%Mo和0.005%B形成固溶強化,添加2.1Ti-1.5%Al形成γ’相的析出強化。

    日本新公布的TOS1X合金、LTESR700合金及FENIX700合金試驗性能尚不清楚。

    3. 選材對比

    3.1 關于700℃使用合金的選材

    歐洲在示范工程中選用CCA617用作大口徑管,經過22000h試驗在焊接熱影響區發生開裂,其原因至今未公布,導致工程延期。根據管材的試驗,持久性能良好,是由于焊材的問題還是過渡區的問題,尚不清楚。美國金屬公司認為可以選用Inconel 740H制作大口徑管,而且已經制作成功,正在進行相關試驗,由于持久強度高可以減壁厚,同時,由于熱變形抗力小,熱加工相對容易。有學者研究認為Nb含量高對焊接性有不良影響,美國金屬公司認為已降至1.5Nb%解決了焊接性能的問題。日本學者認為高Ni的Ni基合金不適宜作大口徑管,一是成本高,二是采用中等Ni含量的Fe-Ni基合金是可以解決的,因此一直進行HR6W、HR35、SAVE以及2518-30-3合金的試驗研究。我國的GH2984合金尚未進行大口徑管的試制和焊接性能研究。就目前情況對比,傾向的看法是選用CCA617合金管,但仍需深入進行焊接工藝和性能研究。

    3.2 關于750℃使用合金的選材

    從目前各國選材情況,基本上選用Inconel 740H,其原因是:

    1)Inconel 740H的高溫持久強度超過100MPa,約140-170MPa,目前進行到約2-3萬小時,在現在候選材料中是最高的。

    2)抗高溫蒸汽腐蝕性能好,這是由于合金中含25%Cr的結果。

    3)抗煤灰/煙氣腐蝕性能好,可以滿足20萬小時腐蝕損失小于2mm指標。而CCA 617、Nimonic 263和Haynes 230合金都達不到。

    4)組織穩定性好,通過成分優化研究改型的Inconel 740H已經消除了G相和η相,而Nimonic 263中存在η相,GH2984中存在σ相。

    5)焊接性能通過了歐洲的相關試驗。

    6)加工工藝性能:熱加工高溫抗力比Nimonic 263和Haynes 282都小,有利于熱擠壓成型。合金管的冷彎試驗表明冷彎性能良好。

    7)經濟性:與Nimonic 263相比Inconel 740H成本要低些。

    從上述情況表明Inconel 740H的優勢比Nimonic 263合金要大。

    近來,美國Haynes公司推薦Haynes 282合金,有一定的可能性,但是,由于Haynes公司公布的數據太少,缺少對比性,還需要進一步了解和對比。


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