700℃超超临界火力发电机组高温压力管道用材研究进展

赵 远，岳庚新

(天津诚信达金属检测技术有限公司，天津300384)

700℃超超临界火力发电机组高温压力管道用材研究进展

赵 远，岳庚新

(天津诚信达金属检测技术有限公司，天津300384)

介绍了美国、日本及欧洲等国家700℃超超临界火力发电机组及压力管道高温用材的开发现状，并对目前国际上700℃超超临界火力发电机组较有竞争力的几种镍基合金候选材料进行了对比分析。结合我国在相关领域的研究情况，分析了目前我国700℃超超临界火力发电机组研究中存在的问题。指出Inconel 740H镍基合金的持久强度和抗腐蚀性能最好，但其焊接接头的高温长时性能研究尚不成熟，电站高温合金材料的选择和研发尚未完全解决，该问题仍将是世界各国的研究重点。

管道；700℃超超临界；A-USC；高温合金材料

随着国民经济的迅速发展，社会生活对电力的需求越来越大，而现代科技水平对绿色能源的开发远不能满足日益增长的能源需求。燃煤发电在我国电力能源结构中一直处于主导地位，燃煤发电是CO2的主要排放源，随着资源的日渐消耗及环保要求的不断提高，中国现在面临着巨大的节能减排压力[1-3]。因此，有效提高燃煤发电机组的热效率，增加煤电转化率，是我国乃至全世界应对全球气候变暖、实现节能减排的重要措施。

燃煤发电机组蒸汽温度的提高和压力的增加可以显著提高机组热效率，尤其是温度升高所产生的效果更为明显，发电效率提高，单位电量的煤耗明显减少。目前，我国600℃超超临界火力发电机组已经大量投入运行。国家能源局于2010年7月就决定启动更高参数的700℃先进超超临界(A-USC)火力发电机组的研制，而世界各国也早已将更高参数的A-USC机组作为今后的发展方向[4-5]。但是，700℃ A-USC机组在设计和制造中有很多关键技术问题尚未解决，其中提高蒸汽温度和压力参数的同时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[6]。由此可见，材料和制造技术是发展先进火力发电机组的技术核心。

1 国外开发现状

欧盟、美国以及日本等多个国家对700℃超超临界电站的研究较早，现已取得了一定的科研成果。我国在该相关领域的研究尚处于起步阶段，对高温材料的选择及研发将被列为整个研发计划的首位。同时，世界各国对高参数机组的研究计划及研究进展情况也为我国下一步的研发工作提供了参考[7]。

1.1 欧盟

欧洲在高温材料方面发展较早，目前已取得了一定的成果。欧盟于1998年1月正式启动了“AD700先进超超临界发电计划”，该计划由40多个欧洲公司资助，拟用时长达17年之久，该项目的实施分为6个阶段。欧盟AD700项目时间安排见表1。欧盟AD700项目中对于关键部件的选材也较为谨慎，例如主蒸汽、过热器及再热器管道等，其主要采用镍基高温合金，而材料的研究工作也集中于高温长期运行部件的蠕变性能、烟气和蒸汽腐蚀氧化、热疲劳性能和厚壁部件的生产、焊接能力等。欧盟国家将Inconel 617(54Ni-22Cr-1.2Co-9Mo-1Al-0.3Ti) 合金材料作为大直径蒸汽管道的选材在示范工程中进行试用，但是在经过2.2万h运行试验后，焊接接头及热影响区中出现了35mm的裂纹，这跟镍基合金大直径管道的制造工艺不够成熟有很大关系，由此也导致示范电站的投入运行时间被迫延迟[8]。

表1 欧盟AD700项目时间安排表

1.2 美国

美国能源部于2000年正式启动了“Vision 21”计划，其要求实现零排放，并将蒸汽参数大幅提高到760℃，目标是为了开发37.9MPa、723℃和760℃机组。在700℃的温度下，美国的高硫煤种会导致电站锅炉管烟气侧的腐蚀非常严重，经研究表明，烟气腐蚀在600～675℃范围内最严重，温度超过725℃时腐蚀会大幅降低。因此，对于美国而言，760℃的设计目标符合其现状，且这种锅炉设计无论从整体还是满足美国市场的特殊性方面都有很大的优势，其热效率也能达到47％左右[9]。

美国对于高参数机组的研究工作始终以新材料研发作为首要任务，分别从高温力学性能、抗氧化和抗腐蚀性能、制造成型性能及焊接性能等多个方面对合金材料进行评估，其持久性能试验将长达4万h之久。目前，美国760℃A-USC计划正处于研究阶段，现已完成732℃、760℃、35MPa和7.5MPa的750MW机组的可行性分析，效率达到46％(HHV)，再次再热机组为48％(HHV)，但该项目的研究内容仅局限于锅炉材料研究[10]。就目前来看，美国已计划于2015—2016年开始设计600MW的样板电厂，2017年建设示范电厂。

1.3 日本

日本由于能源匮乏，在燃煤火力电站的发展过程中都是采用“引进、消化及吸收”的策略，这导致日本在高参数机组开发阶段比较滞后。但日本一直非常重视高效燃煤发电技术，于2008年正式推出了“先进的超超临界压力发电(A-USC)”项目，该项目规划用9年时间完成，且日本拟于2015年实现35MPa、700℃和720℃的开发目标，于2020年实现750℃、700℃超超临界产品的开发目标[9]。

目前，日本对于700℃A-USC机组的建设开发正处于研究阶段，对电站机组的选材较为谨慎，为了保证机组中高温材料长期服役的可靠性，其对高温高压段的关键材料均进行长期持久试验，且计划试验时间不低于3万h[11]。日本700℃A-USC机组关键部件候选材料已基本确定，但机组的最终选材仍在试验评估中。

2 重要高温压力管道部件选材分析

国际上对700℃超超临界锅炉管材的基本要求是：①材料的10万h持久强度不低于100MPa；②20万h的管壁截面腐蚀损失不大于2mm。由此可见，传统的铁素体和奥氏体耐热钢已经无法满足要求。有分析认为，对于蒸汽参数达到35MPa和过热及再热蒸汽温度为700℃、720℃的超超临界机组，其过热器、再热器、主蒸汽管道、再热蒸汽管道和集箱必须采用镍基合金材料。目前，在国际上具有竞争力的700℃A-USC机组候选镍基合金主要有 Inconel 617、Inconel 740、Inconel 740H、GH 2984、Haynes 230等。几种高温合金的主要化学成分及持久强度见表2和表3。

表2 几种高温合金的主要化学成分％

表3 几种高温合金的持久强度

2.1 Inconel 617

Inconel 617合金是原国际镍合金公司1975年开发出来的固溶强化型高温合金，具有较高的蠕变强度和优越的耐高温氧化能力。在700℃A-USC机组中，Inconel 617合金主要被用于锅炉过热器、再热器、集箱和主蒸汽管道，欧盟AD700项目中也选用Inconel 617合金作为主蒸汽管道用材。但Inconel 617合金管道经过长期时效会产生焊接裂纹，且Inconel 617合金中由于Mo含量较高，会导致该类管道的抗烟气腐蚀及沉积硫酸盐腐蚀的能力相对较弱[12]，从而使得Inconel 617合金作为700℃A-USC机组中工作环境恶劣、高温强度要求高的过热器及再热器管材也稍显不足。因此，Inconel 617合金是否可以安全地应用于700℃A-USC机组的高温段管材还有待考核。

2.2 Inconel 740

Inconel 740合金是美国Special Metals公司在Nimonic 263合金的基础上通过其抗腐蚀性而开发出来的。 Inconel 740合金在700～800℃温度范围的长期持久性能曲线中，其平直的趋向没有出现急剧的弯折，在750℃经过1万h的持久强度仍可以达到100MPa以上，这说明Inconel 740合金高温长期持久性能较好。但有研究表明，Inconel 740合金在高温长期时效过程中，组织稳定性方面存在析出γ′相，在750℃、760℃时长大较快，晶界和晶内η相的析出和晶界G相的形成等问题，影响了组织稳定性[13]。同时，Inconel 740合金在厚壁部件的焊接性上还有待于改进。

2.3 Inconel 740H

Inconel 740H合金是由北京科技大学相关课题组与美国SMC合作，针对Inconel 740合金的组织不稳定性及厚壁部件焊接性能等问题进行的改进研究，最终开发出组织稳定、性能优良的新合金。

Inconel 740H合金不仅保持了Inconel 740合金的强化因素，还增加了组织稳定性，即使在750℃时效5 000h后，晶内 γ′相的尺寸仍为110mm左右，且没有大块的G相生成，同时也未发生γ′相向η相的转变，合金性能更加优良，冲击性能与Inconel 740相比也得到了明显改善[14]。

综合多种高温合金材料在高温长期持久强度、抗蒸汽及煤灰腐蚀性能、长期组织稳定性、管材成型性能等因素分析，可以认为Inconel 740H是目前过热器与再热器管材首选的候选材料。

2.4 GH 2984

GH 2984合金是中科院沈阳金属所在20世纪70年代研制成功的，是我国高参数舰船新型主锅炉过热器管材长期使用的一种经济型Fe-Ni基变形高温合金。GH 2984合金组织性能稳定，能连续在650～700℃环境下使用几万小时，其较高的Cr含量提高了抗氧化腐蚀性能，同时其合金成分中不含Co，相比含Co的镍基合金价格低廉。但经研究发现，GH 2984合金在高温条件下的持久性能较低，在750℃、10万h的持久性能小于100MPa。因此，若要满足700℃机组过热器及再热器部件的要求，其高温持久性能、抗氧化腐蚀性能都需要进一步提高。目前，中科院沈阳金属研究所也正针对此问题对GH 2984合金进行改型研究。

3 国内发展状况

3.1 700℃A-USC机组开发现状

我国从1993年开始研究超超临界发电技术，目前，已经能成熟生产600℃超超临界发电机组，并成功开发了600℃和625℃两个温度等级的先进铁素体材料。2010年，成立了700℃AUSC燃煤发电技术创新联盟，开始了700℃超超临界燃煤发电技术的自主研发之路。

国家能源局于2011年正式启动了“700℃超超临界燃煤发电关键设备研发及应用示范”项目[5]。目前，我国对于700℃A-USC机组的开发已基本确定起步压力参数为35～37.5MPa，温度为700℃/720℃，工作仍将以新型高温材料的研发为主。

3.2 面临的主要问题

我国对于700℃A-USC燃煤发电技术的研究工作起步较晚，而研发阶段也暴露出了一定的问题，主要表现为研究机构分散、试验装置技术落后以及材料基础研究薄弱。

目前，我国各大生产厂商、研究院所及高校等对于相关领域的研究工作较为分散、不系统，存在着相互保密、不公开等问题，且很多研究机构研究装置和技术跟不上国际的步伐，这远远不能满足700℃超超临界高端产品的要求。

与欧盟、美国等相比，我国在高温材料的研究方面经验不足，而电站高温材料从研发到工程应用需要一段很长的周期，不仅要实现材料的国内制造，还要掌握国产材料的组织性能变化，特别是长时高温下的性能，这会延长新材料的应用推广时间，对我国新材料领域的研究工作也带来了一定的困难。

4 结 论

(1)欧美等国家对该领域研究涉入较早，且在700℃A-USC电站的开发中都有了一定的成果，但电站高温合金材料的选择、研发都未能完全解决。因此，700℃A-USC机组的高温合金材料仍将是世界各国的研究重点。

(2)综合对比几种700℃A-USC机组候选高温合金，认为Inconel 740H的持久强度和抗腐蚀性能最好，但其焊接接头的高温长时性能研究尚不成熟，仍需进一步试验研究。

(3)我国对700℃A-USC机组的研究仍处于起步阶段，需要对暴露出的多种问题及时进行纠正，还要多吸收欧盟及其他国家在相关领域的研究经验，尽早实现高参数机组的自主开发。

[1]林富生，谢锡善，赵双群，等.我国700℃超超临界锅炉过热器管用高温合金选材探讨[J].动力工程学报，2011，31(12)：960-968.

[2]李君，吴少华，李振中.超超临界燃煤发电技术是我国目前发展洁净煤发电技术的优先选择[J].中国电力，2004，37(9)：13-17.

[3]田成文，范庆伟，杜娟.高效低污染超临界发电技术[J].节能，2006(4)：25-27.

[4]毛健雄,毛健全.当前我国燃煤火电机组降低CO2排放的途径[J].电力建设，2011，32(11)：5-10.

[5]杨富.完善600℃,开发700℃超超临界机组用国产新型耐热钢[C]//第九届电站金属材料学术年会.北京：中国电机工程学会，2011：13-18.

[6]王崇斌，徐雪元，诸育枫，等.蒸汽温度700℃超超临界锅炉受热面选材研究[J].压力容器，2015，32(4)：51-59.

[7]迟成宇，于鸿矗，谢锡善.世界700℃等级先进超超临界电站关键高温材料[J].世界钢铁，2013(2)：42-58.

[8]许英坚.欧洲700℃先进超临界技术[J].热力发电，2005，34(9)：72-73.

[9]林永明.国际700℃燃煤超超临界发电技术研发进展[J].广西电力，2013，36(2)：21-25.

[10]张燕平，蔡小燕，黄树红.700℃超超临界燃煤发电机组材料研发现状[J].中国电力，2012，45(2)：16-21.

[11]FUKUDA M，SAITO E，TANAKA Y，et al.Advanced USC technology development[J].Journal of Smart Processing，2014，3(2)：78-85.

[12]MANKINS W L，HOSIER J C，BASSFORD T H.Microstructure and phase stability of Inconel alloy 617[J].Metallurgical Transactions，1974，5(12)：2579-2590.

[13]OH J H，YOO B G，CHOI I C，et al.Influence of thermomechanical treatment on the precipitation strengthening behavior of Inconel 740,a Ni-based superalloy[J].Journal of Materials Research，2011，26(10)：1253-1259.

[14]CHONG Y，LIU Z，GODFREY A，et al.Detrimental effect of cellular precipitation on the creep strength of Inconel l740H[J].Philosophical Magazine Letters，2013，93(12)：688-696.

Research Progress of High Temperature Pressure Material Used for 700℃Ultra-supercritical Coal-fired Power Unit

ZHAO Yuan,YUE Gengxin
(Tianjin Chengxinda Metal-Testing Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)

In this article,it introduced 700℃ultra-supercritical coal-fired power unit of USA,Japan and Europe and other countries,as well as the development status of high temperature pressure pipe material.It also conducted comparative analysis for several competitive nickel-based alloys materials of 700℃ultra-supercritical coal-fired power unit.Combined with research situation in the relevant field,it analyzed the existing problems in 700℃ultra-supercritical coal-fired power unit in China.It pointed that the enduring strength and corrosion resistance of Inconel 740H nickel-based alloy are the best,but the high temperature long time performance research of its welded joint is immature,the selection,research and development of power station high temperature alloy material has not yet been completely solved,the problem will continue to be a research focus in various countries in the world.

pipeline;700℃ultra-supercritical;A-USC;high temperature alloy material

TG113.2

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.006

赵 远(1988—)，男，硕士，主要从事无损检测新技术及金属材料组织性能控制研究。

2016-02-23

李 超