王崇斌， 諸育楓， 王　煜， 徐若雨， 秦　升， 朱　更

(上海鍋爐廠有限公司， 上海 200245)

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材料技術(shù)

700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器選材分析

王崇斌， 諸育楓， 王煜， 徐若雨， 秦升， 朱更

(上海鍋爐廠有限公司， 上海 200245)

摘要：介紹了700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器候選新材料Sanicro25更高強度奧氏體鋼小口徑管、HR6W鐵鎳基合金小口徑管、617mod鎳基合金小口徑管、740H鎳基合金小口徑管等材料性能，分析了Super304H、TP310HCbN、Sanicro25、HR6W、617mod、740H管子制造700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器的適用溫度范圍，提出了700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器選材建議。

關鍵詞：超超臨界機組； 過熱器； 材料性能

我國在一次能源結(jié)構(gòu)中以煤為主要能源，燃煤發(fā)電給環(huán)境帶來巨大的壓力。為了節(jié)約能源，減少CO2排放，大容量、高參數(shù)的超超臨界機組成為了電站鍋爐發(fā)展的必然趨勢。與600 ℃超超臨界機組相比，700 ℃超超臨界機組效率提高至50%以上，每千瓦時供電煤耗降低近70 g，CO2排放減少14%[1-2]。從世界各國先進超超臨界發(fā)電計劃的實施情況來看，700 ℃火電機組在可行性研究和產(chǎn)品設計上均已基本成熟，其開發(fā)的瓶頸在于高溫段材料的選用，尤其是鍋爐材料的選用。由于700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器內(nèi)的蒸汽壓力升高到36.5 MPa，蒸汽溫度升高到700 ℃，而600 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器常用的高強度奧氏體鋼不能滿足700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器的強度要求，所以必須開發(fā)更高強度的新材料小口徑管[3-4]。

筆者對700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器候選新材料特性進行分析，提出700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器選材建議。

1鍋爐初步計算溫度和設計壓力

700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器對材料性能要求不會由于鍋爐總體設計方案的不同而發(fā)生大的變化。600 MW機組主蒸汽壓力為35 MPa，主蒸汽溫度為700 ℃，再熱蒸汽溫度為720 ℃，鍋爐的主蒸汽出口壓力為36.5 MPa，主蒸汽出口溫度為705 ℃，再熱蒸汽出口溫度為723 ℃。圖1給出705 ℃/723 ℃超超臨界機組鍋爐總體設計和受熱面布置的一種典型方式。

2國內(nèi)外鍋爐過熱器新材料研究進展

1998年，歐洲45家公司合作開發(fā)蒸汽參數(shù)為35 MPa、700 ℃/720 ℃的超超臨界機組，機組的設計熱效率是52%，CO2排放降低15%。

瑞典開發(fā)出了700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器和再熱器用Sanicro25更高強度奧氏體小口徑鋼管。與傳統(tǒng)的奧氏體耐熱鋼相比，Sanicro25具有優(yōu)異的高溫持久強度、抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕性能，在600～700 ℃的持久強度比TP310HCbN高45%以上，在650 ℃和700 ℃蒸汽中的抗氧化性能良好，達到完全抗氧化級[5-6]。

歐洲公司為700 ℃超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子、集箱和管道開發(fā)了0.08C-22Cr-12Co-9Mo-1.0AL-0.4Ti-B(617mod)鎳基合金小口徑管和大口徑管，其700 ℃、100 000 h持久強度為119 MPa，750 ℃、100 000 h持久強度為69 MPa。

Sanicro25奧氏體小口徑管和617mod鎳基合金小口徑管已經(jīng)在歐洲700 ℃機組鍋爐驗證試驗平臺上進行了運行試驗。

2001年，美國開發(fā)蒸汽參數(shù)為37.9 MPa、732 ℃/760 ℃超超臨界機組。美國公司為700 ℃超超臨界機組鍋爐高溫受熱面管子、集箱和管道開發(fā)出0.04C-24Cr-20Co-2Nb-1.6Ti-1.0AL-0.5Mo(740H)小口徑管和大口徑管，其700 ℃、100 000 h持久強度為219 MPa, 750℃、100 000 h持久強度為126 MPa。

2008年，日本開發(fā)蒸汽參數(shù)為35 MPa、700 ℃/720 ℃超超臨界機組。開發(fā)出700 ℃超超臨界鍋爐高溫受熱面管子和集箱及管道用HR6W鐵鎳基合金小口徑管和大口徑管等新材料。

歐洲公司試制的700 ℃超超臨界鍋爐過熱器試件見圖2。

2014年，我國完成了700 ℃機組鍋爐高溫材料驗證試驗平臺用水冷壁、過熱器、集箱、減溫器和管道的設計任務。目前，已經(jīng)完成了對Sanicro25、GH984G、617mod、740H等材料焊接工藝評定，驗證試驗平臺用水冷壁、過熱器、集箱、減溫器和管道也已制造完成。2015年12月30日，我國700 ℃鍋爐高溫材料試驗驗證平臺在南京電廠成功實現(xiàn)穩(wěn)定運行，蒸汽溫度為725 ℃，蒸汽流量為3 kg/s，蒸汽壓力為26.8 MPa，與原320 MW超臨界機組一致。計劃在700 ℃機組鍋爐高溫材料驗證試驗平臺長期運行后，對管子和管道母材及焊接接頭試樣進行性能評定試驗。

3鍋爐過熱器候選新材料性能

過熱器是700 ℃超超臨界機組鍋爐的關鍵部件，過熱器材料需滿足下列要求：高的高溫持久強度、優(yōu)良的抗煙氣腐蝕和抗蒸汽氧化特性、良好的焊接性能、良好的加工成形特性。

600 ℃超超臨界機組鍋爐用T91、T92、TP347H、TP347HFG、Super304H、TP310HCbN小口徑管制造過熱器。700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器設計壓力為40 MPa左右，出口段管子金屬溫度為750 ℃左右。700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器候選新材料是Sanicro25更高強度奧氏體鋼小口徑管、HR6W鐵鎳基合金小口徑管、617mod和740H鎳基合金小口徑管。700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器候選新材料的化學成分、物理參數(shù)見表1和表2，力學性能、許用應力見圖3～圖5。

表1　化學成分　%

表2　物理性能

圖3屈服強度

1—S31035(Sanicro25)許用應力取自ASME Code Case 2753；2—UNS N06674(HR6W)許用應力取自ASME Code Case 2684-2；3—617mod許用應力根據(jù)蒂森克虜伯公司提供的性能數(shù)據(jù)，以ASME規(guī)則計算得來；4—UNS N07740(740H)許用應力取自ASME Code Case 2702-1。

圖5許用應力

我國已經(jīng)完成Sanicro25、HR6W、617mod、740H小口徑管彎管試驗及焊接工藝評定，并對這些材料的小口徑管及其焊接接頭進行了10 000多小時的高溫持久強度等性能試驗，試驗數(shù)據(jù)表明其性能滿足ASME標準要求[7]。

4鍋爐過熱器選材分析

600 MW、700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器管子外徑一般為38～48 mm，不同外徑、不同材料過熱器管子的設計壓力和平均壁厚與管子金屬設計溫度的關系見圖6～圖12(按ASME計算，留有一定附加余量)。

目前，各鍋爐廠廣泛使用T91、T92、TP347H、TP347HFG、Super304H、TP310HCbN設計制造超超臨界鍋爐過熱器，其過熱器管子壁厚為7～10 mm。在選材時需綜合考慮過熱器管子壁厚不能太厚，管子內(nèi)壁需要具有優(yōu)良的抗高溫蒸汽氧化性能，管子外壁需要具有優(yōu)良的抗高溫煙氣腐蝕性能，以及各溫度段過熱器管子的金屬設計溫度。

從上述分析可以看出：在625 ℃，Sanicro25許用應力比TP310HCbN高55%；在650～675 ℃，Sanicro25許用應力比TP310HCbN高63%。由于Sanicro25更高強度奧氏體小口徑管許用應力比HR6W鐵鎳基合金小口徑管許用應力高，價格比HR6W鐵鎳基合金小口徑管價格低，所以優(yōu)先選用Sanicro25更高強度奧氏體小口徑管制造700 ℃超超臨界機組鍋爐低溫段過熱器。使用Sanicro25代替TP310HCbN制造700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器，可以降低過熱器管子壁厚，提高過熱器對鍋爐變工況運行的適應性。對于管子金屬設計溫度在630～680 ℃的過熱器，可以選用Sanicro25更高強度奧氏體鋼小口徑管。由于740H抗煙氣腐蝕性能優(yōu)于617mod，所以對于管子金屬設計溫度超過680 ℃的高溫段過熱器，需要選用740H鎳基合金小口徑管。

5結(jié)語

(1) 700 ℃超超臨界機組鍋爐候選新材料Sanicro25更高強度奧氏體小口徑管、HR6W鐵鎳基合金小口徑管、617mod和740H鎳基合金小口徑管及焊接接頭的性能滿足ASME標準和有關標準要求。

(2) Sanicro25更高強度奧氏體小口徑管和740H鎳基合金小口徑管等新材料的高溫持久強度滿足700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器對新材料的性能要求。

(3) 對于管子金屬設計溫度為630～680 ℃的700 ℃超超臨界鍋爐低溫段過熱器可以選用Sanicro25更高強度奧氏體小口徑管制造，對于管子金屬段設計溫度高于680 ℃的700 ℃超超臨界鍋爐高溫段過熱器可以選用740H鎳基合金小口徑管制造。

(4) Sanicro25更高強度奧氏體小口徑管和740H鎳基合金小口徑管等新材料的焊接工藝評定及焊接接頭高溫持久強度已經(jīng)滿足ASME標準要求，并且有能力進行Sanicro25和740H等新材料小口徑管的彎管成型加工制造。

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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

基金項目：科技部國家高科技研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(2012AA050502)

作者簡介：王崇斌(1956—)，男，教授級高級工程師，主要從事電站鍋爐金屬材料研究。E-mail: 18017908209@189.cn

中圖分類號：TK225

文獻標志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)03-0168-05