超超臨界機(jī)組的金屬材料介紹

1、超超臨界機(jī)組的金屬材料介紹1.1 概述以亞臨界火電機(jī)組的電廠凈效率為基值，蒸汽參數(shù)為25MPa/540 /560 的超臨界火電機(jī)組電廠凈效率比亞臨界火 電機(jī)組的 電廠凈效率高 1.6%； 27MPa/580 /600超臨界火電機(jī)組電廠凈效率比25MPa/540 /560 的電廠凈效率高1.3%； 30MPa/620 /640 超臨界火電機(jī)組電廠凈效率比27MPa/580/600 超臨界火電機(jī)組電廠凈效率高1.3%； 30MPa/700 /720 超臨界火電機(jī)組電廠凈效率比30MPa/620 /640超臨界火電機(jī)組電廠凈效率高 1.6 。這符合熱力學(xué)所指出的：熱機(jī)的初參數(shù)越高，效率就越好。因此，

2、隨著科技進(jìn)步，人們不斷地在開發(fā)更高參數(shù)的超臨界火電機(jī)組。然而，機(jī)組參數(shù)的提高，受制于耐高溫材料的開發(fā)與制造，隨著蒸汽參數(shù)的提高就要應(yīng)用更能耐高溫的材料。早在 50 年代末，美國就投運(yùn)了參數(shù)為31MPa/621 /566 /566 的 Philo6 號(hào)和參數(shù)為 34.5MPa/ 649 /566/566 的 Eddystonel 號(hào)超超臨界機(jī)組。這二臺(tái)機(jī)組采用的參數(shù)由于超越了當(dāng)時(shí)的材料制造水平， 投運(yùn)后多次出現(xiàn)爆管事故和嚴(yán)重的高溫腐蝕等材料問題， 不得不降參數(shù)運(yùn)行。原蘇聯(lián)首臺(tái)超臨界機(jī)組參數(shù)為23.5MPa/580 /565 ，運(yùn)行后也多次出現(xiàn)材料方面的問題，不得不把參數(shù)降到23.5MPa， 54

3、0 /540 運(yùn)行。日本發(fā)展超臨界機(jī)組，很注重材料的研究與開發(fā)，機(jī)組參數(shù)穩(wěn)步推進(jìn)，超臨界、超超臨界機(jī)組得以順利發(fā)展。上世紀(jì) 80 年代以來，歐洲、美國、日本在超超臨界發(fā)展計(jì)劃中，首先實(shí)施材料開發(fā)的計(jì)劃。由此可見材料是發(fā)展超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵。20 世紀(jì) 50 年代初，日本從歐美引進(jìn)鍋爐用碳鋼、鉬鋼、鉻鋁鋼、 18-8 型不銹鋼和轉(zhuǎn)子用CrMoV,從1981年開始分兩個(gè)階段實(shí)施超超臨界發(fā)電計(jì)劃。第一階段把蒸汽溫度從566提高到593，第二階段目標(biāo)是650。在材料的開發(fā)上，主要是利用過去對912%Cr系鋼和奧氏體系鋼的開發(fā)研究成果，進(jìn)一步 開發(fā)高強(qiáng)度912%Cr系鋼代替部分奧氏體鋼，開發(fā)比原來奧氏體

4、高溫強(qiáng)度更高、 耐蝕性更好的新奧氏體鋼， 以及兼顧高溫強(qiáng)度和耐蝕性的滲鉻管、 噴焊管和雙層管。全面回顧和進(jìn)一步研究合金元素Cr、Mo、W、V、Nb、Cu、Co、Cr、Si 、C、N、B、Re單獨(dú)添加和V-NB C-N、Mo-W等復(fù)合添加的影響，開發(fā)了 TB9, TB12, NF616 HCM12ANF12, TP347HFG Super304H, HR3c NF709 SAVE25等鍋爐 用鋼；TR110Q TRl50, TR120cl HR1200 TAF65等轉(zhuǎn)子、葉片、螺栓用鋼。日 本對耐熱鋼的開發(fā)研制是花大力氣的， 并取得了舉世目矚目的成功。 根據(jù)近期的研究成果，含鉆的鐵素體耐熱鋼(N

5、F12, SAVE12 HRI200, TF650)最高使用溫 度有望達(dá)到 650 . 但還需進(jìn)一步試驗(yàn)。我國發(fā)展不同參數(shù)的超超臨界機(jī)組的候選材料示于下表6 1 中。超超臨界機(jī)組由于蒸汽溫度的提高，對材料的耐腐蝕性要求可能會(huì)超過對蠕變持久強(qiáng)度的要求，鐵素體耐熱鋼在高溫時(shí)的耐腐蝕性能應(yīng)特別引起注意。如果 耐腐蝕性不夠，即使蠕變持久強(qiáng)度足夠，也要考慮采用耐腐蝕性更好的奧氏體鋼 或表面進(jìn)行特殊處理以提高耐腐蝕性能。 細(xì)化晶粒和表面噴涂工藝可提高抗水蒸 汽腐蝕能力，表面滲銘、噴焊耐腐蝕合金、包覆耐腐蝕層，可提高向火面的抗耐 腐蝕能力。566/566 Cfll$00/600610/810軟G2小曲（,級

6、集箱、蒸汽管道P23(HCM2S>.P9LP 糖.E911.P122P 兜(NF61R).E91LP1MNF12，SAVE2MF12 # .SAVE12 *末級過妹霜、再熟器T&LE9I1, TP304H.347HTFJHFGSuptr30dfrNF7O9SuprHNF7O9iSAVE15-hconel6173lONhNCHR3G3lQNbN317H/1N72* '310NbNSupfr3O4H/lN72 Cr 3偵NF709/ IN72* '水下部碳削T11,T12*T2!T11,T12,T22TH .T12.T22常睡上部T11.TI2,T22T2S, 7Cr

7、MoVTiBT23, 7CrMaVTiBT23,HCM1?高中用箱子L JSCrMcV12CrMoVNbSTRH50TRI 100TR1200TRI I SOHkl2flOT政史A2航高中壓內(nèi)缸（幡件）L 25CtMoVSCilMoNtNSCrlMoNbNiKrMWWNbN12CrMrhVWNhN12CTMoVWCDNbBN-SUS316高中壓外缸（鑄件）L 25CrMoV1.25。MWI- 25CrMaVI.EJCrMoV主汽閥、謂節(jié)閥再熱芭腳腳殼F9F孤l 犯 rMuVWNhN12CrMDVWNhNHCrMoVWCoNbBN'5gl行高溫段葉片12CrMoVWNbNtiCrMnVW

8、NbN12(：rMnVWt>tXbBNTAF65fl*2CrMoVW(>)MhRN12CrMnVWCcNbENTAF65OR26汽缸檢lCrMoVWNbK1 紇 rMWWNbNt2CrMoVWG)XbBNTAF650 ,IECfMqV 田 CiNbBN12rMcVWCoNbBNTAF65OH26低壓椅子3,5N<CrMoV3, SNfCrMcV 超期3. SNiCrMoV超嫦&SNiCrMoV超純 W. SNiCrMoV表6- 1超超臨界機(jī)組金屬用材1.2 高中壓汽缸金屬材料超超臨界汽輪機(jī)的高壓部分一般為雙層缸結(jié)構(gòu)。以便盡量減少各種承壓部 件所承受的熱應(yīng)力及運(yùn)行應(yīng)力，

9、承擔(dān)最高壓力和溫度的噴嘴室用12CrMoVCbN鍛 件制造。內(nèi)缸采用lOCrMoVC鑄造，外缸不承受高溫，可以用傳統(tǒng)的CrMoV岡制造。 主蒸汽管與外缸之間采用焊接連接，焊接連接部分借助冷段再熱蒸汽將內(nèi)壁溫度 冷卻到550 565c的水平。中壓缸部分采用雙層缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸高溫部分采用10CrMoVC材料鑄造，外缸 和內(nèi)缸的低溫部分則用傳統(tǒng)的CrMoVffl制造。西門子的高壓缸則采用獨(dú)特的圓筒型結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝隔板的具有水平中分面用螺栓連接的內(nèi)缸，套裝在圓筒型鑄造外缸內(nèi)，外缸避免采用水平中分面結(jié)構(gòu).使得結(jié)構(gòu)緊湊。運(yùn)行時(shí)汽缸不會(huì)發(fā)生不對稱 變形，徑向通流間隙不會(huì)發(fā)生不均勻變化，由高蒸汽參數(shù)以及負(fù)荷的變化導(dǎo)

10、致的 熱應(yīng)力小。而且蒸汽參數(shù)越高，這種圓筒型結(jié)構(gòu)相對中分面結(jié)構(gòu)的高壓缸更為優(yōu) 越。1.3 轉(zhuǎn)子金屬材料為了保證在超高溫下有足夠的強(qiáng)度，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子通常采用12Cr鋼制造。12Cr 鋼由于含銘量高，使軸頸的運(yùn)轉(zhuǎn)特性很差，軸頸可能由于磨損而導(dǎo)致軸承故障。 解決這一問題的方法是在轉(zhuǎn)子的軸頸和推力盤表面加焊低合金，以解決磨損問 題。其優(yōu)點(diǎn)是由于支持軸承溫度為常數(shù)，不會(huì)因低合金層與轉(zhuǎn)子材料間的線脹系 數(shù)差造成熱疲勞；有一層較厚的低合金，支持軸承如果出現(xiàn)損傷可以返修； 并可 將推力軸承設(shè)置在能實(shí)現(xiàn)高壓部分最佳間隙的控制位置。超超臨界汽輪機(jī)低壓部分主要的設(shè)計(jì)問題是進(jìn)汽溫度升高的問題。常規(guī)的NiCrMoV轉(zhuǎn)子材

11、料在進(jìn)汽溫度超過350375c時(shí)，有變脆的趨勢。解決這一問題 的方法以前是采用冷卻技術(shù)，但當(dāng)前則采用高純凈技術(shù)，盡量減少NiCrMoV材料 中P、Sn> Mn及Si的含量，使低壓轉(zhuǎn)子在使用溫度下基本不發(fā)生脆變。1.4 當(dāng)前超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)高壓缸、中壓缸、閥門和蒸汽管道的材料世界上有美國GE公司，德國SIEMENS,法國ALSTOM,日本三菱、 東芝、日立公司，俄羅斯的LMZT廠等能制造高參數(shù)超臨界汽輪機(jī)。下面主要介 紹一下這些機(jī)組的金屬材料：ALSTOM司制造蒸汽參數(shù)為30MPa/600C/600 C汽輪機(jī)的選材：高壓缸轉(zhuǎn)子：10CrMoVNb N高壓內(nèi)缸：10CrMoVNbN高壓外缸

12、：2.25CrMo,高壓缸噴咀室：11 CrMoVNbN主蒸汽管道：9CrMoVNb N主蒸汽閥：9CrMoVNb N中壓缸進(jìn)汽蒸汽管道：9CrMoVNb N中壓聯(lián)合汽門：9CrMoVNbN中壓外缸：ICrMoV中壓內(nèi)缸：9CrMoVNb N中壓缸內(nèi)缸螺栓：11CrMoVNbN中壓缸隔熱套筒：92CrMoVNb版材，中壓轉(zhuǎn)子：10CrMoVNbN低壓缸主要是末級動(dòng)葉片，ALSTO司Xt于50Hz機(jī)組采用1.2m、1.225m、1.24m、 1.28m、1.32m、1.36m和1.46m的合金鋼末葉片，1.58m和1.74m的鈦合金末葉 片。東芝公司蒸汽參數(shù)為25MPa/600c /610 C的

13、1050MWCC4F-48蒸汽輪機(jī)的選材高壓轉(zhuǎn)子：改良型12Cr鋼，高壓缸動(dòng)葉：新12Cr鋼，高壓內(nèi)缸：12Cr鑄鋼，高壓外缸：CrMoV鑄鋼，噴咀室：優(yōu)質(zhì)9Cr鍛鋼，高壓主汽閥和調(diào)節(jié)閥的閥體：優(yōu)質(zhì) 9Cr鍛鋼。中壓轉(zhuǎn)子：改良型12Cr鍛鋼，中壓內(nèi)缸：12Cr鑄鋼，中壓外缸：CrMoV 鑄鋼，中壓聯(lián)合汽門的閥體：新12Cr鑄鋼。三菱公司1050MW 蒸汽參數(shù)為25MPa/600C/610c汽輪機(jī)裝置高壓缸的選材高壓轉(zhuǎn)子：新型12Cr鍛鋼，噴嘴室：12Cr鑄鋼，高壓內(nèi)缸：12Cr鑄鋼，高壓外缸：21/2CrlMo鑄鋼，一級靜葉環(huán)：12Cr鑄鋼，二級靜葉環(huán)：21/2CrlMo鑄鋼，動(dòng)葉：R-26奧

14、氏體耐熱合金鋼。主蒸汽閥閥體：9Cr鍛鋼，調(diào)節(jié)閥閥體：9Cr鍛鋼。俄羅斯LMZ 工廠設(shè)計(jì)的30Mpa/600C/600C/600c蒸汽輪機(jī)裝置高壓轉(zhuǎn)子的材料為3h-756,主蒸汽管道和中壓進(jìn)汽蒸汽管道的材料為10Cr9MoPb-m。LMZ工廠已掌握了 50Hz1500mm鈦合金末葉片。綜上所述，世界各制造廠在選用高參數(shù)超臨界鍋爐和汽輪機(jī)高溫部件的材料上大致類同，而且這些材料很容易從市場上采購。東芝公司改良型新12Cr鋼、俄羅斯3 h-756鋼等鋼的化學(xué)元素成份見表 6-2元素F9P92改盤整12依口鋼用湍G鋼3 H756Ca 070. 140. II0, IQ 17SiGOJH.05anB40

15、. $Mn0.3QJ0.&0. 10.6-0. 8方0.40.2剖厚Cr8S101010. 5-12.5Mb0.850Ji0.650.&-0.80.0. 130.20.20. I50l35Xh0.060.040.070.05X0.060.03a 03fl. 03w1.5|U1.7-12Cd10R0,001amFWO. 02wn3S0.01一一也0.03Fe基科基科基科基韓基料表6- 2合金鋼的化學(xué)成分表1.5 泰州電廠機(jī)組高溫材料和技術(shù)介紹中壓第1級葉片高壓第1級葉片高中壓轉(zhuǎn)子高壓噴嘴室高中壓內(nèi)缸中壓閥門高壓閥門1005501% Cr(1Cr-M12%C(12Cr-Mo-V-l

16、鋼Jb-N 鋼)改良12%C鋼(12Cr-Mo-V-Nb-N-W 鋼)新12%C鋼(12Cr-Mo-V-W-Co-Nb-B-N 鋼)-Mo-V 鋼 o-V 鋼)2003002適用范圍575600625650蒸汽溫度 C圖62各合金鋼的高溫蠕變強(qiáng)度3汽輪機(jī)主要部件材質(zhì)表序 號(hào)部件名稱材料標(biāo)號(hào)ASTM!用材料及說明力學(xué)性能（室溫下） 屈服強(qiáng)度N/mm高壓缸1高壓轉(zhuǎn)子K11E89A12Cr-Mo-V-Nb-N6852動(dòng)葉片K9A74AK9A62A11CrWVNbNReCo10.7Cr-Mo-V-Nb-N6956953噴嘴K9A62A10.7Cr-Mo-V-Nb-N695序 號(hào)部件名稱材料標(biāo)號(hào)ASTM

17、S用材料及說明力學(xué)性能（室溫下）屈服強(qiáng)度N/mm4隔板Ka-SFVAF28B7B4c9Cr-1Mo-Nb-V12.5Cr4104905外缸K12F54B1.25Cr-1Mo-V4206內(nèi)缸K12C63B10Cr-1Mo-0.2V-0.1Nb-0.05N5007噴嘴室K12C63B10Cr-1Mo-0.2V-0.1Nb-0.05N5008汽封SS4009缸體螺栓K9A62AK9A56EK5P51C10.7Cr-Mo-V-Nb-N12Cr-Mo-W-V1Cr-0.5Mo-V695630655中壓缸10中壓轉(zhuǎn)子K11E89A12Cr-Mo-V-Nb-N steel68511動(dòng)葉片K9A74AK9A6

18、2A11CrWVNbNReCo10.7Cr-Mo-V-Nb-N69569512噴嘴K9A62A10.7Cr-Mo-V-Nb-N69513隔板K12C63BKa-SFVAF28B7B4C10Cr-1Mo-0.2V-0.1Nb-0.05N9Cr-1Mo-Nb-V12.5Cr50041049014外缸K12F54B1.25Cr-1Mo-V42015內(nèi)缸K12C63B10Cr-1Mo-0.2V-0.1Nb-0.05N50016汽封SS40017缸體螺栓K9A62AK9A56EK5P51C10.7Cr-Mo-V-Nb-N12Cr-Mo-W-V1Cr-0.5Mo-V695630655進(jìn)汽閥18MSV/GV1 體GX12CrMoWVNbN10)1110Cr-Mo-V52019MSV/G煙蓋GX12CrMoWVNbN10)1110Cr-Mo-V52020MSV/GV8 栓K62N68A53Ni-Cr1035序 號(hào)部件名稱材料標(biāo)號(hào)ASTMS用材料及說明力學(xué)性能（室溫下）屈服強(qiáng)度N/mm21RSV/IV閥體GX12CrMoWVNbN10)1110Cr-Mo-V52022RSV/IV閥蓋GX12CrMoWVNbN10)1110Cr-Mo-V52023RSV/IV螺栓K62N68A53Ni-Cr1035蒸汽管路24HP進(jìn)汽管路ASME SA335P919Cr41025IP進(jìn)汽管路低壓缸26低