超超临界锅炉管道用钢的研究现状与发展趋势

张书辉，冉坚强

（六盘水市特种设备检验所，贵州 六盘水 553000）

0 引言

我国是一个煤炭大国，现阶段，火力发电是我国提供电力的主要方式，其次是水力发电和风力发电，在未来较长的一段时间内，火力发电仍将占主导地位。近年来，全球能源危机变得越来越严重，煤炭作为火力发电的主要燃料，供应日益短缺，因此包括节能减耗在内的环境保护已成为各行各业的主流思想。在当前的情况下，超超临界燃煤技术更加适用，其技术经过长期的发展已经较为成熟，具有良好的可行性[1]。

在超超临界电站锅炉、管道和压力容器领域，对钢的要求很高。对于锅炉领域来说，其所用钢材的发展十分迅速。开展超超临界电站建设时，还存在着大量亟待解决的问题，为了保障其运行的安全性，应当采用高质量的材料。随着锅炉运行参数的提升，迫切需要开发具有高温强度和抗氧化、抗腐蚀性能的材料。特别是锅炉中温度最高的过热器以及再热器管道，对高温强度和抗氧化、抗腐蚀性能要求更高。并且，需要注意的是，提高锅炉的效率会对烟雾的排放产生影响，主要体现在减少碳化物、硫化物以及氮化物气体的排放量上，有利于保护大气。所以，为了更好地实现我国所提出的减排节能目标，应当进一步发展超超临界电站锅炉，促进其参数值不断提升[2]。本文主要介绍了超超临界电站锅炉以及管道用钢的研究现状以及未来发展亟需解决的问题。

1 超超临界电站的发展

在过去的一个时期里，因为世界范围内环境逐渐恶化，使得各国也有了更加强烈的环保意识，从而形成了更高的关于降低固体废弃物与温室气体排放量的呼声。随着能源问题日益严重，火力发电面临着双重压力。因此，世界各国一直竞相开发燃煤效率更高的超超临界发电站。

在逐渐地提高燃煤电站的相关参数之后，也将相应地增大其发电效率，此外，机组类型将会从之前的普通高压机组而逐渐地变成超临界机组。在相同的条件下，超超临界机组不仅节约能源，而且减少污染排放，表现出节能减排的显著优势。现在，包括日本与欧美等发达经济体均致力于研究开发超超临界燃煤领域的新技术，而且针对此制定了各自的发展规划，目的是更好地将高压及高温环境条件之下应用的新钢种研发出来，并取得良好的应用[3]。

总而言之，环境与能源共同地推动燃煤发电机组的发展，使之逐步地过渡到超超临界机组，在此过程中，高性能的高温材料则会起到非常重要的作用，其技术创新必然有助于进一步提升超超临界电站的相关运行参数。

2 超超临界电站锅炉用奥氏体耐热钢的发展

2.1 锅炉用奥氏体耐热钢的性能要求

对于超超临界电站锅炉来说，处于高压高温状态的蒸汽将会先通过水冷壁，然后为过热器与再热器管，并且先后通过集热箱与主蒸汽管道，在此过程中，其压力与温度将会不断上升。为了确保上述部件能够安全有效地工作，应当采用高温力学性能良好的合金或是耐热钢。研究发现，该领域所用的高温承压部件所需具备的主要性能如下所述：①常温力学性能：材料应当具有良好的冲击韧性、屈服强度与抗拉强度；②高温性能：应具有较高的高温组织稳定性、抗蠕变性与高温持久强度等；③化学性能：材料应当具有较高的抗蒸汽腐蚀与抗氧化性能；④工艺性能：采用应有较高的热弯曲、焊接以及热加工等方面的性能；⑤物理性能：具有较高的导热性能与比较小的热膨胀系数；⑥良好的经济性：所选材料应有较高的性能价格比[4]。

现在，在各国的600℃蒸汽超超临界电站锅炉当中，使用比较多的是奥氏体耐热钢材料。

2.2 奥氏体耐热钢的发展

经近40年的研究，通过添加以及优化合金元素，调整强碳化物形成元素Ti和Nb，此外还需对C与Mo两种元素的含量进行调整，从而进一步提升抗氧化及高温强度等性能，进行各种牌号18Cr-8Ni型奥氏体耐热钢的全面开发，逐步完成者25Cr-20Ni型的改型工作，且有效地应用于再热器和过热器等重要部件当中[5]。然而，由于蒸汽参数逐渐增加，之前所用的18Cr-8Ni型耐热钢材料已经难以适用于新的工作环境，所用需要逐渐地选择具有更高Cr含量的25Cr-20Ni型奥氏体耐热钢材料，以提升运行的效率。

在当前该类锅炉所用再热器管及过热器当中，所用材料均是25Cr-20Ni型及18Cr-8Ni型的衍生材料，考虑到进一步增加高温强度的问题，而加入了适量Nb元素与数量比较少的N元素，在某些钢中添加了W、Mo、V和B元素，甚至在某些钢中添加了一些Cu元素，以形成优异的富Cu相强化效果。现在，HR3C、Super304H与 TP347H等型号的新材料正是基于该思想而得以开发出来，且取得了良好的应用成效。

3 超超临界电站锅炉用新型不锈钢的发展

现阶段，国内正在运行或是在建超超临界电站均采用600℃的蒸汽温度值，所以，对于其中的再热器及过热器管道来说，所用材料的工作温度应当达到650℃。相应地，在全面地考虑锅炉成本、主要性能及工作条件等因素的基础上，主要选用了HR3C、Super304H与 TP347H等奥氏体耐热不锈钢材料。

3.1 TP347H/TP347HFG耐热钢

目前，TP347H型号耐热钢材料已经被大量地应用于再热器和过热器管道当中，主要是基于18Cr-9Ni材料，并将适量Nb添加进去，从而形成NbC金属间化合物来作为重要的强化相，因此被认为是非常重要的一种高温金属材料。分析发现，因为采用比较低的冷轧温度，同时变形加热过程中仅有比较短的停留时间，因此不会显著地影响到制管工艺可能导致的NbC化合物析出数量。所以，如果采用合理的热加工及热处理工艺技术，将有可能使该型号的材料实现晶粒细化，甚至可达ASTM8级或更高，开发出性能优良的TP347HFG新钢种，其原理如图1所示，也就是基于现在的工艺技术，将软化处理工艺加入，此时其温度是超过固溶温度的。

我国有研究人员在该工艺技术的基础上，全面地探讨了各种晶粒度条件之下TP347HFG材料的高温氧化行为及机理，在图2中给出了该材料在水蒸气温度为650℃时被氧化共计1000h以后样品氧化层当中的微观形貌特征[6]。可以发现，如果在该材料中的晶粒尺寸越均匀且有更小的晶粒度，则可形成薄且均匀的氧化层，此外，在它和基体间将会出现连续性较高的深褐色愈合层，从而使材料的氧化速率显著减小。

于鸿垚等通过透射电镜研究了TP347H钢在650℃下时效后显微组织的变化规律，发现微米级尺度的碳化物在整个时效过程当中，其尺寸比较稳定，而在进行了较长时间的时效处理之后，将出现尺寸大约为几十个纳米大小的富Nb碳化物沉淀相，它们均布于晶粒当中，有着良好的稳定性，所以使钢材具有良好的持久强度[7]。

3.2 Super304H耐热钢

现在，该型号的不锈钢材料已经比较广泛地应用在超超临界电站锅炉当中。它是在ASME SA-213 TP304H的基础上开发的。在适当地减少Mn含量的基础上，再添加0.45%含量Nb与3%含量Cu元素，此外还需少量N元素。需对该材料进行高温软化处理，并且在超过1150℃的温度之下进行金属材料的固溶处理，最终可形成单一奥氏体组织，具有超过7级～8级的晶粒尺寸。此外，还进行内表面的喷丸处理，从而使尺寸为几十微米大小的细晶粒区形成在表面区域中，所以进一步提升了材料的抗氧化性能。实际使用的时候，在奥氏体晶粒内部将会有细小富铜相析出来，再和其它的第二相颗粒共同作用而提升强化的整体效果。对于该类耐热钢材料而言，因为形成均匀分布的铜相颗粒，从而起到了显著的增强作用，极大地提升了工作温度环境之下的许应力。测试结果表明，在650℃温度时该材料的许用应力值超过TP347H材料31%，而在700℃的温度下，该材料许用应力值超过TP304H材料大约90%。在650～700℃时的蠕变强度是传统TP304H奥氏体钢的1.7～1.9倍，是TP347H奥氏体钢的1.3～1.5倍。材料的抗蒸汽氧化性能接近于TP347HFG材料，比TP321H的性能更高。对于TP347H与TP304H材料，耐蒸汽氧化性与耐高温腐蚀性得以改善，具有更好的性能价格比与焊接性能[8]。

3.3 HR3C耐热钢

在工作温度提高的超超临界电站中，过热器和再热器的高压水蒸气对金属的氧化腐蚀更加严重，为此，在过热器和再热器的这一段高温中必须使用耐热钢，具有较高的耐热性。因为焊接性、高温蠕变性与抗氧化腐蚀性均更高，已经将高含量的Cr元素及Ni元素HR3C耐热钢材料视作为非常重要的候选材料之一。它最初由日本住友研发出来，且逐步推向市场。它在25-20型奥氏体耐热钢TP310H的基础上增加了0.20%～0.60%Nb和0.15%～0.35%N，这大大提高了材料的高温强度，同时具有很高的抗氧化性和良好的高温强度。主要的组成特点就是提高Cr元素的质量百分比为25%，而且提高Ni元素的含量至20%。所以，在经过了长时间的使用之后，其中的Cr元素将会逐渐地扩散至材料的表面区域，而且和氧发生反应并形成致密度较高的氧化层，提升了材料的抗氧化性能。相较于TP347HFG与Super304H等材料，由于HR3C的铬质量百分比为25%，因此其耐蒸汽腐蚀性显著更好。所以对该类不锈钢材料来说，无需增加额外的要求而加至八级或更高晶粒度等级，或者说，在管道成形工艺过程当中，其晶粒度保持1～2级，在超超临界再热器以及过热器等管道的应用领域当中具有良好的发展潜质[9]。

4 结论

大力发展超超临界电站是中国电力工业的发展方向。在世界火力发电厂不断升级的情况下，我国已大量建设并投入运行600℃的超超临界火力发电厂，这需要大量的新型高强度奥氏体耐热钢。为进一步促进超超临界电站的性能提升与发展，应当继续做好新型奥氏体耐热钢材料的深度研究开发工作。对于比较常见耐热钢材料如HR3C、Super304H与TP347H来说，它们均会受到第二相强化作用的显著影响，其中富铜相的作用尤其重要，可以起到较大的析出强化作用，从而使材料可在高温环境中同样保持较高的蠕变强度。现在，这些主要的奥氏体耐热钢材料均通过合理的工艺而提升了高温性能，为了更加有利于进一步增加超超临界电厂的运行参数，应当适当提高材料当中的Cr元素与Ni元素的占比，并通过多次合金化，形成MX相、富Cu相以及M23C6和NbCrN复合增强材料，并依靠合理的冷热成型和加工技术，确保合适的晶粒度和表面质量，提升材料的抗氧化性，且促进其高温强度的提高。