700 ℃超超临界机组锅炉过热器选材分析

王崇斌， 诸育枫， 王　煜， 徐若雨， 秦　升， 朱　更

(上海锅炉厂有限公司， 上海 200245)



材料技术

700 ℃超超临界机组锅炉过热器选材分析

王崇斌， 诸育枫， 王煜， 徐若雨， 秦升， 朱更

(上海锅炉厂有限公司， 上海 200245)

摘要：介绍了700 ℃超超临界机组锅炉过热器候选新材料Sanicro25更高强度奥氏体钢小口径管、HR6W铁镍基合金小口径管、617mod镍基合金小口径管、740H镍基合金小口径管等材料性能，分析了Super304H、TP310HCbN、Sanicro25、HR6W、617mod、740H管子制造700 ℃超超临界机组锅炉过热器的适用温度范围，提出了700 ℃超超临界机组锅炉过热器选材建议。

关键词：超超临界机组； 过热器； 材料性能

我国在一次能源结构中以煤为主要能源，燃煤发电给环境带来巨大的压力。为了节约能源，减少CO2排放，大容量、高参数的超超临界机组成为了电站锅炉发展的必然趋势。与600 ℃超超临界机组相比，700 ℃超超临界机组效率提高至50%以上，每千瓦时供电煤耗降低近70 g，CO2排放减少14%[1-2]。从世界各国先进超超临界发电计划的实施情况来看，700 ℃火电机组在可行性研究和产品设计上均已基本成熟，其开发的瓶颈在于高温段材料的选用，尤其是锅炉材料的选用。由于700 ℃超超临界机组锅炉过热器内的蒸汽压力升高到36.5 MPa，蒸汽温度升高到700 ℃，而600 ℃超超临界机组锅炉过热器常用的高强度奥氏体钢不能满足700 ℃超超临界机组锅炉过热器的强度要求，所以必须开发更高强度的新材料小口径管[3-4]。

笔者对700 ℃超超临界机组锅炉过热器候选新材料特性进行分析，提出700 ℃超超临界机组锅炉过热器选材建议。

1锅炉初步计算温度和设计压力

700 ℃超超临界机组锅炉过热器对材料性能要求不会由于锅炉总体设计方案的不同而发生大的变化。600 MW机组主蒸汽压力为35 MPa，主蒸汽温度为700 ℃，再热蒸汽温度为720 ℃，锅炉的主蒸汽出口压力为36.5 MPa，主蒸汽出口温度为705 ℃，再热蒸汽出口温度为723 ℃。图1给出705 ℃/723 ℃超超临界机组锅炉总体设计和受热面布置的一种典型方式。

2国内外锅炉过热器新材料研究进展

1998年，欧洲45家公司合作开发蒸汽参数为35 MPa、700 ℃/720 ℃的超超临界机组，机组的设计热效率是52%，CO2排放降低15%。

瑞典开发出了700 ℃超超临界机组锅炉过热器和再热器用Sanicro25更高强度奥氏体小口径钢管。与传统的奥氏体耐热钢相比，Sanicro25具有优异的高温持久强度、抗蒸汽氧化和抗烟气腐蚀性能，在600～700 ℃的持久强度比TP310HCbN高45%以上，在650 ℃和700 ℃蒸汽中的抗氧化性能良好，达到完全抗氧化级[5-6]。

欧洲公司为700 ℃超超临界机组锅炉高温受热面管子、集箱和管道开发了0.08C-22Cr-12Co-9Mo-1.0AL-0.4Ti-B(617mod)镍基合金小口径管和大口径管，其700 ℃、100 000 h持久强度为119 MPa，750 ℃、100 000 h持久强度为69 MPa。

Sanicro25奥氏体小口径管和617mod镍基合金小口径管已经在欧洲700 ℃机组锅炉验证试验平台上进行了运行试验。

2001年，美国开发蒸汽参数为37.9 MPa、732 ℃/760 ℃超超临界机组。美国公司为700 ℃超超临界机组锅炉高温受热面管子、集箱和管道开发出0.04C-24Cr-20Co-2Nb-1.6Ti-1.0AL-0.5Mo(740H)小口径管和大口径管，其700 ℃、100 000 h持久强度为219 MPa, 750℃、100 000 h持久强度为126 MPa。

2008年，日本开发蒸汽参数为35 MPa、700 ℃/720 ℃超超临界机组。开发出700 ℃超超临界锅炉高温受热面管子和集箱及管道用HR6W铁镍基合金小口径管和大口径管等新材料。

欧洲公司试制的700 ℃超超临界锅炉过热器试件见图2。

2014年，我国完成了700 ℃机组锅炉高温材料验证试验平台用水冷壁、过热器、集箱、减温器和管道的设计任务。目前，已经完成了对Sanicro25、GH984G、617mod、740H等材料焊接工艺评定，验证试验平台用水冷壁、过热器、集箱、减温器和管道也已制造完成。2015年12月30日，我国700 ℃锅炉高温材料试验验证平台在南京电厂成功实现稳定运行，蒸汽温度为725 ℃，蒸汽流量为3 kg/s，蒸汽压力为26.8 MPa，与原320 MW超临界机组一致。计划在700 ℃机组锅炉高温材料验证试验平台长期运行后，对管子和管道母材及焊接接头试样进行性能评定试验。

3锅炉过热器候选新材料性能

过热器是700 ℃超超临界机组锅炉的关键部件，过热器材料需满足下列要求：高的高温持久强度、优良的抗烟气腐蚀和抗蒸汽氧化特性、良好的焊接性能、良好的加工成形特性。

600 ℃超超临界机组锅炉用T91、T92、TP347H、TP347HFG、Super304H、TP310HCbN小口径管制造过热器。700 ℃超超临界机组锅炉过热器设计压力为40 MPa左右，出口段管子金属温度为750 ℃左右。700 ℃超超临界机组锅炉过热器候选新材料是Sanicro25更高强度奥氏体钢小口径管、HR6W铁镍基合金小口径管、617mod和740H镍基合金小口径管。700 ℃超超临界机组锅炉过热器候选新材料的化学成分、物理参数见表1和表2，力学性能、许用应力见图3～图5。

表1　化学成分　%

表2　物理性能

图3屈服强度

1—S31035(Sanicro25)许用应力取自ASME Code Case 2753；2—UNS N06674(HR6W)许用应力取自ASME Code Case 2684-2；3—617mod许用应力根据蒂森克虏伯公司提供的性能数据，以ASME规则计算得来；4—UNS N07740(740H)许用应力取自ASME Code Case 2702-1。

图5许用应力

我国已经完成Sanicro25、HR6W、617mod、740H小口径管弯管试验及焊接工艺评定，并对这些材料的小口径管及其焊接接头进行了10 000多小时的高温持久强度等性能试验，试验数据表明其性能满足ASME标准要求[7]。

4锅炉过热器选材分析

600 MW、700 ℃超超临界机组锅炉过热器管子外径一般为38～48 mm，不同外径、不同材料过热器管子的设计压力和平均壁厚与管子金属设计温度的关系见图6～图12(按ASME计算，留有一定附加余量)。

目前，各锅炉厂广泛使用T91、T92、TP347H、TP347HFG、Super304H、TP310HCbN设计制造超超临界锅炉过热器，其过热器管子壁厚为7～10 mm。在选材时需综合考虑过热器管子壁厚不能太厚，管子内壁需要具有优良的抗高温蒸汽氧化性能，管子外壁需要具有优良的抗高温烟气腐蚀性能，以及各温度段过热器管子的金属设计温度。

从上述分析可以看出：在625 ℃，Sanicro25许用应力比TP310HCbN高55%；在650～675 ℃，Sanicro25许用应力比TP310HCbN高63%。由于Sanicro25更高强度奥氏体小口径管许用应力比HR6W铁镍基合金小口径管许用应力高，价格比HR6W铁镍基合金小口径管价格低，所以优先选用Sanicro25更高强度奥氏体小口径管制造700 ℃超超临界机组锅炉低温段过热器。使用Sanicro25代替TP310HCbN制造700 ℃超超临界机组锅炉过热器，可以降低过热器管子壁厚，提高过热器对锅炉变工况运行的适应性。对于管子金属设计温度在630～680 ℃的过热器，可以选用Sanicro25更高强度奥氏体钢小口径管。由于740H抗烟气腐蚀性能优于617mod，所以对于管子金属设计温度超过680 ℃的高温段过热器，需要选用740H镍基合金小口径管。

5结语

(1) 700 ℃超超临界机组锅炉候选新材料Sanicro25更高强度奥氏体小口径管、HR6W铁镍基合金小口径管、617mod和740H镍基合金小口径管及焊接接头的性能满足ASME标准和有关标准要求。

(2) Sanicro25更高强度奥氏体小口径管和740H镍基合金小口径管等新材料的高温持久强度满足700 ℃超超临界机组锅炉过热器对新材料的性能要求。

(3) 对于管子金属设计温度为630～680 ℃的700 ℃超超临界锅炉低温段过热器可以选用Sanicro25更高强度奥氏体小口径管制造，对于管子金属段设计温度高于680 ℃的700 ℃超超临界锅炉高温段过热器可以选用740H镍基合金小口径管制造。

(4) Sanicro25更高强度奥氏体小口径管和740H镍基合金小口径管等新材料的焊接工艺评定及焊接接头高温持久强度已经满足ASME标准要求，并且有能力进行Sanicro25和740H等新材料小口径管的弯管成型加工制造。

参考文献：

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[3] Birks S. Advances in materials technology for tossil power plants[C]//7th International Conference On Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants. Waikoloa, Hawaii, USA: ASM International,2013.

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Materials Selection for Boiler Superheater of 700 ℃ Ultra Supercritical Units

Wang Chongbin, Zhu Yufeng, Wang Yu, Xu Ruoyu, Qin Sheng, Zhu Geng

(Shanghai Boiler Works Co., Ltd., Shanghai 200245, China)

Abstract：The properties of small-diameter tubes or pies made of following candidate materials were introduced for the superheater of 700 ℃ ultra supercritical boilers, such as the austenitic stainless steel Sanicro25, Fe-Ni-based alloy HR6W, Ni-based alloy 617mod and Ni-based alloy 740H, etc. Meanwhile, suitable service temperature ranges of tubes Super304H, TP310HCbN, Sanicro25, HR6W, 617mod and 740H for the superheater of 700 ℃ ultra supercritical boilers were also analyzed, based on which suggestions were proposed for material selection of boiler superheater in 700 ℃ ultra supercritical units.

Keywords：ultra supercritical unit; superheater; material property

收稿日期：2015-11-20

基金项目：科技部国家高科技研究发展计划(863计划)课题(2012AA050502)

作者简介：王崇斌(1956—)，男，教授级高级工程师，主要从事电站锅炉金属材料研究。E-mail: 18017908209@189.cn

中图分类号：TK225

文献标志码：A

文章编号：1671-086X(2016)03-0168-05