700℃超超臨界機組用國產(chǎn)新型耐熱鋼及其焊接材料

2024/8/10完善600℃、開發(fā)700℃超超臨界機組用國產(chǎn)新型耐熱鋼及其焊接材料2024/8/10摘要：本文簡要概述了中國電力工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，論述了超超臨界（USC）技術(shù)是未來我國火電機組的主要發(fā)展方向。指出了發(fā)展超超臨界機組的關(guān)鍵技術(shù)之一是金屬材料和焊接材料耐高溫、高壓及焊接和熱處理問題。完善600℃、開發(fā)700℃超超臨界機組用國產(chǎn)新型耐熱鋼及其焊接材料，使超超臨界發(fā)電技術(shù)成為我國火電發(fā)展的主流和強項。關(guān)鍵詞：超超臨界國產(chǎn)化新型耐熱鋼焊接材料2024/8/10一、概述我國是全球除美國以外的第二大電力生產(chǎn)國與電力消費國。2011年，我國用電量持續(xù)增長，電力規(guī)模繼續(xù)增大，結(jié)構(gòu)有所改善，質(zhì)量和技術(shù)水平進一步提高，節(jié)能減排成效顯著。截至2011年底，全年全國發(fā)電量47217億千瓦時，發(fā)電裝機容量達到10.56億千瓦；其中，火電裝機容量7.65億千瓦，水電裝機容量2.30億千瓦，核電裝機容量1250萬千瓦，風電并網(wǎng)裝機容量4505萬千瓦。2024/8/10電力裝機容量和全年發(fā)電量均占世界第二位，這標志著我國電力工業(yè)上了一個新臺階。我國電力工業(yè)取得了舉世矚目的成就，有力地支撐了國民經(jīng)濟快速健康發(fā)展對電力的需求。2024/8/102011年，全國在運百萬千瓦超超臨界火電機組已經(jīng)達到40余臺。其中寧夏靈武電廠二期工程百萬千瓦機組是世界上首個百萬千瓦超超臨界空氣冷卻發(fā)電機組項目，將促進我國富煤、貧水地區(qū)電力工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。雖然我國USC機組的發(fā)展取得了舉世矚目的發(fā)展，但USC機組用高溫高強度鋼材、焊材國產(chǎn)化研制和應用性能研究工作薄弱，因此，完善600℃、開發(fā)700℃超超臨界機組用鋼和焊材及其性能隨溫度、使用時間、變化規(guī)律的研究，已成為發(fā)展USC技術(shù)的關(guān)鍵。2024/8/10二、USC機組是我國火電發(fā)展的必然趨勢電力是一種應用廣泛，使用方便的清潔能源。電力是二次能源，它是由煤炭、石油、天然氣、水利、核能以及風力等轉(zhuǎn)換而成的。電力在終端能源總構(gòu)成中所占的比例已成為衡量一個國家現(xiàn)代化程度的重要標志。2024/8/10

我國一次能源結(jié)構(gòu)的特點是:“富煤、貧油、少氣”，我國能源以煤碳為主，我國煤炭消費占一次能源的70%，遠高于世界平均約30%的水平。預計全國發(fā)電裝機容量到2020年為18億千瓦，其中火電將從目前占總?cè)萘康?5%左右，下降為66%，水電占22.7%，核電、風電等新能源約占11.3%。2024/8/10從以上電源結(jié)構(gòu)發(fā)展情況可以看出，火電比重隨核電、可再生能源比重的增加而減少，但到2020年前，我國以火電為主的電源結(jié)構(gòu)不會發(fā)生根本改變，火電將在相當長時期內(nèi)占據(jù)主導地位。由于我國一次能源以煤炭為主，所以我國的能源發(fā)展政策是煤為主體，電為中心，保障社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。2024/8/10我國電力發(fā)展的基本方針是:提高能源效率，保護生態(tài)環(huán)境，加強電網(wǎng)建設(shè)，大力開發(fā)水電，優(yōu)化發(fā)展煤電，安全、高效發(fā)展核電，適度發(fā)展天然氣發(fā)電，鼓勵新能源發(fā)電。優(yōu)化發(fā)展煤電，主要是提高燃煤發(fā)電機組的效率和減少污染物的排放。2024/8/10發(fā)展燃煤發(fā)電機組，煙氣排放中會有更多的SOx、Nox和CO2，并排出大量的灰渣和污水。給人類帶來四大環(huán)境問題：溫室效應、酸雨、臭氧層破壞和大氣污染。2024/8/10優(yōu)化發(fā)展煤電，提高火電機組效率、減少污染的潔凈煤發(fā)電技術(shù)有：循環(huán)流化床（CFBC）、增壓流化床（PFBC）、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）及超臨界（SC）與超超臨界（USC）。但是，CFBC、PFBC、IGCC等技術(shù)處于試驗或示范階段，在我國近期廣泛發(fā)展是不現(xiàn)實的。2024/8/10從技術(shù)難度和現(xiàn)實性看，SC和USC配以常規(guī)的煙氣凈化裝置已公認是一種潔凈煤發(fā)電技術(shù)，是優(yōu)化煤電結(jié)構(gòu)的主要方向。符合當前中國的實際情況。所以超（超）臨界機組是我國火電機組的主要發(fā)展方向。2024/8/10國家科技部863計劃“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”課題研究結(jié)論：推薦現(xiàn)階段我國發(fā)展超超臨界機組，其參數(shù)為P=25MPa~28MPa，T＝600℃/600℃，一次再熱。我國在運的33臺1000MWUSC機組的實踐，已充分證明了，我國大力發(fā)展USC機組的必然性和正確性2024/8/10三、我國超超臨界機組的發(fā)展現(xiàn)狀

超超臨界火電機組是世界上成熟先進的發(fā)電技術(shù)，目前主蒸汽/再熱氣溫度為600℃的超超臨界機組供電效率可達44~45%，在經(jīng)濟發(fā)達國家中廣泛應用并得到了顯著的節(jié)能和減少污染的效果，并且正進一步向更高參數(shù)方向發(fā)展。2024/8/10進入21世紀，中國加大了超超臨界發(fā)電技術(shù)的開發(fā)力度，加快了超超臨界發(fā)電機組的建設(shè)步伐。原國家電力公司在2000年針對當時國際上燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢，并結(jié)合我國的具體國情提出“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”課題。2024/8/10課題研究的目的是：在立足于通過國際市場采購已商業(yè)化的耐熱金屬材料的基礎(chǔ)上確定我國建設(shè)超超臨界機組的技術(shù)路線，推動我國發(fā)電行業(yè)的技術(shù)升級。該項目獲得了國家科技部和國家發(fā)改委的支持，科研項目被列入國家“十五”高科技計劃（863計劃）。華能玉環(huán)工程被列為依托工程。2024/8/10從2003年起，我國發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)與國外制造商合作，引進大型超超臨界火電機組技術(shù)。上海、哈爾濱和東方三大動力集團分別從西門子、三菱以及日立公司等引進了超超臨界技術(shù)。2006年11月、12月采用引進技術(shù)生產(chǎn)的1000MV超超臨界火電機組分別在玉環(huán)電廠、鄒縣電廠成功投運，標志著我國電力設(shè)備的制造水平跨上了一個新的高度。2024/8/10截止到2011年底，在運行的1000MV超超臨界機組已達40余臺，中國已經(jīng)成為世界上擁有超超臨界機組最多的國家。也因此是積累超超臨界機組的設(shè)計、制造、安裝和運行經(jīng)驗豐富的國家。2024/8/10雖然我國超超臨界機組取得了舉世矚目的發(fā)展，但國內(nèi)制造企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的瓶頸仍然明顯，主要表現(xiàn)在超超臨界機組用高溫高強度鋼材及焊接材料國產(chǎn)化研制和應用性研究工作薄弱，超超臨界機組600℃等級新型耐熱鋼及焊接材料尚未完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，目前部分還依賴進口，價格居高不下和貨源緊缺制約超超臨界機組發(fā)展。2024/8/10根據(jù)我國的現(xiàn)實情況，實現(xiàn)超超臨界機組技術(shù)再創(chuàng)新，增強國內(nèi)制造業(yè)的核心競爭力仍是當務之急。應在消化吸收引進技術(shù)的同時，加強國內(nèi)自主創(chuàng)新的支持力度，重點解決新型耐熱鋼的國產(chǎn)化等核心技術(shù)問題，逐步形成具有我國特色的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超超臨界成套設(shè)備設(shè)計制造技術(shù)，具備產(chǎn)品自主優(yōu)化和自主升級能力。2024/8/10四、完善600℃USC機組的關(guān)鍵技術(shù)——新型耐熱鋼的開發(fā)、焊接及熱處理USC機組就是通過提高火電機組鍋爐蒸汽溫度、壓力參數(shù)提高機組效率，特別是溫度參數(shù)對效率的影響更為顯著，而提高蒸汽參數(shù)遇到的主要關(guān)鍵技術(shù)是金屬材料及焊接材料的耐高溫、高壓及焊接和熱處理問題。2024/8/10我國正在建設(shè)的USC機組大量采用的新型鐵素體耐熱鋼為SA213-T23、T91、T92；SA335-P91、P92、P122及新型奧氏體耐熱鋼為A213M-S30432(SUPER304H)、TP310HCbN(HR3C)。SC/USC鍋爐承壓部件用鋼選擇。如表一2024/8/10表一SC/USC鍋爐承壓部件用鋼承壓部件 超臨界超超臨界水冷壁T1,T2,T11 T1,T2,T11；T23/T24過熱器再熱器T12,T22,T23,T91,TP304H,TP347H T12,T22,T23,T91,T92,TP310HCbN(HR3C)、A213M-S30432(SUPER304H)主汽P91P92/P122/E911再熱冷段Al672B70CL32 A691Cr1-1/4CL22再熱熱段P91 P91/P92 給水管道WB36 WB362024/8/10為了更好的發(fā)展SC、USC機組，在大量引進國外先進的新型耐熱鋼的過程中，要加快國產(chǎn)新型耐熱鋼的開發(fā)，為了確保USC機組的穩(wěn)步發(fā)展，應開展以下幾方面的試驗研究工作。2024/8/10(1).開展新型耐熱鋼合金化機理、力學性能、強韌化機理、高溫持久強度、抗煙氣腐蝕、抗蒸汽氧化及壽命評估方面的研究工作。

(2).開展新型耐熱鋼，經(jīng)過長期高溫運行后，鋼材顯微組織及性能變化規(guī)律的研究。

(3).開展新型耐熱鋼異種鋼焊接接頭早期失效機理研究。

(4).進一步研究和掌握P91鋼管的合金化、強韌性強化機理和生產(chǎn)制造、熱處理工藝，使國產(chǎn)P91鋼管質(zhì)量穩(wěn)定，完善管徑、壁厚、品種、規(guī)格，形成批量生產(chǎn)。2024/8/10(5)開展T/P92鋼材的國產(chǎn)化的基礎(chǔ)研究，生產(chǎn)制造工藝的試驗。盡快實現(xiàn)國產(chǎn)化。(6)加速A213M-S30432（Super304H）、TP310HCbN(HR3C)鋼國產(chǎn)化的生產(chǎn)制造和掛爐試用工作。(7)同時開展與T/P91、T/P92、A213M-S30432（Super304H）、TP310HCbN(HR3C)鋼相匹配的焊接材料的國產(chǎn)化開發(fā)工作。2024/8/10(8)焊接及熱處理是保證火電建設(shè)質(zhì)量和發(fā)電設(shè)備安全運行的重要基礎(chǔ)專業(yè)，目前我國已開始大力發(fā)展的SC、USC火力發(fā)電機組，所采用的新型耐熱鋼與傳統(tǒng)的低合金耐熱鋼有質(zhì)的區(qū)別。廣大電站焊接工作者必須轉(zhuǎn)變幾十年來焊接傳統(tǒng)的低合金耐熱鋼形成的觀念。需要對這種新型耐熱鋼的強化機理、焊接性、焊接工藝、熱處理工藝、檢驗方法、焊工培訓及焊接管理等方面進行深入的研究和實踐，加大電站焊接科研力度，加大對焊接及相關(guān)專業(yè)人員的技術(shù)培訓，進一步提高專業(yè)技術(shù)素質(zhì)，以保證我國電力發(fā)展目標的實現(xiàn)。2024/8/10五、開展對700℃超超臨界新型耐熱鋼的研究雖然目前我國600℃超超臨界發(fā)電技術(shù)和建成的機組均達到國際水平，但我們必須注意的是，我國超超臨界發(fā)電技術(shù)比發(fā)達國家起步晚十年，目前世界發(fā)達國家的超超臨界技術(shù)正在向更高水平發(fā)展。日本、美國及歐洲等工業(yè)發(fā)達國家制訂了一系列的超超臨界火電技術(shù)的中長期發(fā)展計劃，積極開發(fā)34.3MPa/650℃以及40MPa/700℃新鋼種系列，使超超臨界機組朝著更高參數(shù)的技術(shù)方向發(fā)展。2024/8/105.1歐盟AD700超超臨界技術(shù)開發(fā)項目歐盟1998年啟動700℃級先進蒸汽參數(shù)的超超臨界技術(shù)開發(fā)項目“AD700計劃”，該項目的目標是：(1)研發(fā)、設(shè)計和示范先進蒸汽參數(shù)超超臨界煤粉爐技術(shù)，使蒸汽參數(shù)達到37.5MPa/700/720℃；(2)AD700超超臨界機組的凈效率要達到52-55%，在當前最先進的超超臨界機組效率的基礎(chǔ)上（30.0MPa/600/600℃，凈效率47%）實現(xiàn)更進一步降低標準煤耗和CO2排放各15%的目標；(3)開發(fā)出合格的適合于AD700機組蒸汽參數(shù)的先進鎳基鍋爐和汽輪機材料并改進現(xiàn)有的奧氏體和鐵素體鋼。2024/8/10(4)鎳基合金的研發(fā)，目標是700℃、105h的蠕變強度大于100Mpa。700℃-750℃條件下進行的新材料試驗，包括強度、蠕變特性、脆性、抗氧化性能等。目前AD700計劃已經(jīng)進入工業(yè)試驗階段，預計在2020年前，700℃參數(shù)超超臨界機組將投入商業(yè)運行。2024/8/10表二為歐盟AD7001000MWe超超臨界機組設(shè)計參數(shù)。由表可見，該項目有冷水塔冷卻和海水冷卻兩個方案，如果采用歐洲北海的只有10℃的海水冷卻，則凈效率可達55%。2024/8/10表二歐盟AD7001000MWe超超臨界機組設(shè)計參數(shù)參數(shù)單位冷水塔冷卻海水冷卻總功率MWe10001000主蒸汽參數(shù)℃/MPa700/35.0700/35.0再熱蒸汽參數(shù)℃/MPa720/6.9720/6.9冷凝器壓力kPa4.02.5冷卻水溫度℃16.510.0最后給水溫度℃335.0335.0環(huán)境空氣溫度℃2010汽輪機熱耗kJ/kWh64266355發(fā)電機效率%95.0095.00輔機電耗MWe70.0070.00電廠凈效率%53.50552024/8/10表三超臨界和超超臨界煤粉爐采用的高溫耐熱材料的比較項目超臨界使用的材料超超臨界可用的最新技術(shù)材料AD700所需材料蒸汽參數(shù)25Mpa、560℃/560℃25-28Mpa、600℃/620℃35Mpa、700℃/720℃水冷壁15Mo3、BSGrade243ASTMA213、T24或T23(HCM2S)HCM12過熱器和再熱器T91、T23、TP304H、TP347HNF709、E1250、T91、A213M-S30432(SUPER304H)、TP310HCbN(HR3C)。Ni合金集箱和管道P91,P22/P23A335P92（NF616）、P122、E911Ni合金2024/8/105.2美國760℃超超臨界技術(shù)研發(fā)計劃美國的研發(fā)目標是開發(fā)蒸汽參數(shù)760℃/760℃/38.5MPa的火電機組，效率達到46%-48%(HHV)以上。根據(jù)其材料性能數(shù)據(jù)證實760℃/760℃的蒸汽溫度可以實現(xiàn)。美國的鍋爐材料研究項目：第一階段(2001-2006)完成了機組概念設(shè)計和經(jīng)濟性分析、先進合金的力學性能、蒸汽氧化和煙氣腐蝕特性、可焊性與加工性能評估、涂層、設(shè)計規(guī)范等研究內(nèi)容。第二階段(2007-2009)主要對富氧燃燒下實現(xiàn)760℃超超臨界技術(shù)的可行性及鍋爐材料的腐蝕等進行了研究，以備將來與CCS技術(shù)結(jié)合。2024/8/10美國760℃超超臨界技術(shù)研發(fā)計劃美國的汽輪機材料研究項目：第一階段(2005-2009)確定了包括焊接和整鍛轉(zhuǎn)子在內(nèi)的汽機部件候選材料，并完成了焊接轉(zhuǎn)子的焊接試驗。但Simens負責的大型鑄件選材遇到技術(shù)難題，確定的Haneys282和Inconel740兩個候選材料無法以空氣熔煉、澆鑄工藝生產(chǎn)大型鑄件。2024/8/10第二階段(2009-2010)重點在特殊的制造工藝（尤其是鑄造）方面，如合金的電弧冶煉/AOD以及真空和壓力鑄造。根據(jù)橡樹嶺國家實驗室對美國鑄造行業(yè)的評估，為保證可靠性，從日本和歐洲采購鍛件代替最高溫度的鑄件是最佳選擇。美國目前高溫部件僅完成了鍋爐管的現(xiàn)場驗證，尚無示范機組建設(shè)計劃。2024/8/105.3日本A-USC計劃日本于2000年開始“700℃級別超超臨界發(fā)電技術(shù)”可行性研究，2008年正式啟動“先進的超超臨界壓力發(fā)電(A-USC)”項目的研究，最終使蒸汽溫度達到700℃以上，凈熱效率達到46%-48%(HHV)。項目需要9年完成，包括系統(tǒng)設(shè)計、鍋爐、汽輪機、閥門、材料長時性能試驗、部件的驗證等。目前處于初期階段，已確定機組參數(shù)先實現(xiàn)700℃/720℃/720℃/35MPa，最終將再熱蒸汽溫度提高到750℃。2024/8/10按計劃2016年完成高溫部件驗證，預計2020年左右建成示范機組。盡管日本國家層面的A-USC計劃啟動較晚，但其企業(yè)早已開始關(guān)鍵技術(shù)特別是新材料的開發(fā)，包括：三菱重工開發(fā)了低膨脹鎳基合金LTES700R；東芝已試制出3.5噸IN625合金閥體并解剖試驗，2006年開發(fā)了TOS1X合金（改良617）并試制成7噸鍛件，700℃的10萬小時持久強度160MPa以上；住友金屬開發(fā)了Fe－Ni基合金HR6W；日立開發(fā)了FENIX700、USC800、USC141等多種鎳基合金等。2024/8/105.4俄羅斯超超臨界研發(fā)計劃俄羅斯正大量建設(shè)600℃等級超超臨界機組。世界上第一臺參數(shù)為溫度達到650℃的試驗機組安裝在全俄熱工研究院廢熱電廠，現(xiàn)已經(jīng)運行超過21萬小時?！岸砹_斯國家納米技術(shù)集團”正致力于超超臨界工藝的研究與發(fā)展，其中包括工作在650-700℃下的鍋爐和汽輪機的材料的研制及運行工藝的提高。俄羅斯最大的鍋爐及汽輪機制造企業(yè)以及國家主導科研機構(gòu)都加入了這一領(lǐng)域的工作，但具體進展情況尚不清楚。2024/8/10國際上700℃先進超超臨界發(fā)電計劃對比，如表四2024/8/10可喜的信息是：2010年7月23日國家能源局舉行了“國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)聯(lián)盟“啟動儀式，我國依托能源、電力、設(shè)備制造和冶金行業(yè)及科研院所、高等院校等，正式組建和啟動了國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，我國能源行業(yè)技術(shù)進步又邁上一個新臺階。2024/8/10據(jù)介紹，700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的宗旨是，通過對700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的研究，有效整合各方資源，共同攻克技術(shù)難題，提高我國超超臨界機組的技術(shù)水平，實現(xiàn)700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的自主化，帶動國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為電力行業(yè)的節(jié)能減排開辟新路徑。2024/8/10國家能源局于2011年6月23日在北京召開2024/8/10六、我國超超臨界機組焊接材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

焊接作為應用最廣泛的材料永久連接方法，是現(xiàn)代制造中的關(guān)鍵技術(shù)，在火電設(shè)備制造、安裝及檢修中均得到廣泛的應用。中國堅持國產(chǎn)化的火電發(fā)展道路，焊接作為國內(nèi)火電領(lǐng)域需要攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其科技創(chuàng)新和進步是火電關(guān)鍵設(shè)備自主制造、安裝及檢修的核心。2024/8/10目前國內(nèi)超超臨界機組關(guān)鍵設(shè)備制造及安裝中用到的焊接材料以進口為主，主要的供應商有伯樂、曼徹特、法液空、伊薩、林肯、神鋼、住金等國際知名焊材品牌生產(chǎn)商。2024/8/10國外知名品牌的焊接材料生產(chǎn)企業(yè)涉足超超臨界機組較早，有成熟的生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量保證體系，經(jīng)過國際上多項產(chǎn)品認證，具有超超臨界機組的應用業(yè)績，同時不斷根據(jù)經(jīng)驗反饋進行焊接材料的改進優(yōu)化，因此產(chǎn)品質(zhì)量得到了廣泛的認可。2024/8/10國內(nèi)焊接材料生產(chǎn)商普遍在超超臨界機組關(guān)鍵焊接材料的研發(fā)起步較晚、技術(shù)儲備不足，因此高質(zhì)量的超超臨界機組焊接材料種類匱乏，同時因部分企業(yè)質(zhì)量管理體系尚未健全、質(zhì)量穩(wěn)定性不夠而導致產(chǎn)品難以進入超超臨界機組市場。而進口焊材存在成本較高、供貨周期較長的問題。國內(nèi)火電機組大批量建設(shè)期間，迫切需要開展超超臨界機組關(guān)鍵鋼材焊接材料的國產(chǎn)化。2024/8/10七、結(jié)束語我國完善600℃、開發(fā)700℃超超臨界機組所采用的高溫金屬材料、焊接材料應采用引進技術(shù)消化吸收與國內(nèi)自主創(chuàng)新研發(fā)相結(jié)合的技術(shù)路線。“十二五”期間應積極引進國外先進技術(shù)，并自主研發(fā)高溫金屬材料和焊接材料。并開展高溫材料應用性能研究。目前是我國開展700℃超超臨界高溫金屬材料和焊接材料研發(fā)的一個低風險、同時也不會太落后的最佳時機。通過努力，可在十年左右的時間內(nèi)趕上國際先進水平。