李益民——620度超超临界机组选材.ppt
620超超临界机组选材,2023/2/21,李益民西安热工研究院有限公司电站建设技术部2013年8月,主要内容,2023/2/21,2,一、620机组发展概况,2023/2/21,3,表1 国际上部分高参数超超临界机组,一、620机组发展概况,2023/2/21,4,表1 国际上部分高参数超超临界机组,一、620机组发展概况,2023/2/21,5,表2 中国在建和设计中的部分高参数超超临界机组（30台以上）,一、620机组发展概况,2023/2/21,6,表2 中国在建和设计中的部分高参数超超临界机组,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,7,锅炉受热面管选材,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,8,Super 304H 的晶粒度 GB5310-2008中规定10Cr18Ni9NbCu3BN（Super 304H）的晶粒度7-10级，为细晶粒钢；ASME SA213中S30432(Super 304H）未规定晶粒度。所以在国外订货时要强调细晶粒钢。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,9,Super 304H 的喷丸,Super 304H国产喷丸与国外喷丸效果比较国产喷丸管样：喷丸硬化层的碎化晶层较薄，局部不连续，硬化层厚度和硬度分布不均匀。国外喷丸管样：喷丸硬化层的碎化晶层较厚且均匀，其硬化层的厚度和硬度分布均匀性都优于国产管样。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,10,不同温度下保温2h,观察喷丸层形貌,（a）国产管样775（b）国产管样850（c）国外管样850 d）国外管样950 结果：国产管样775时内壁就约30%面积形成氧化皮，850时内壁已全面形成氧化皮并且局部氧化皮已经产生零星剥落；国外管样直到850时内壁才形成厚氧化膜或薄氧化皮，接近950时才全面形成氧化皮并发生局部剥落。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,11,表 管样热处理后喷丸层和母材的维氏硬度试验结果,结果：国产管样经650保温2h其喷丸硬化层的硬度就降到了企标规定值之下，国外管样经750保温2h喷丸硬化层的硬度虽然也下降但仍基本满足企标的要求，表明国外喷丸管的短时抗高温软化能力比国产喷丸管高100以上。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,12,管样热处理后Cr元素的分布,（a）国产管样（b）国外管样,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,13,未来可供选用的锅炉受热面管选材,NF709(20Cr-25NiMoNbTiN)和NF709R（0.03C-22Cr-25Ni-Mo-Nb），钢Sanicro 25是在20Cr-25Ni钢基础上添加3%W、1.5%Co、2.8%Cu以及微量的Nb、B、N。NF709为新日铁公司在20世纪80年代中期研制，在日本JIS标准中表示为SUS310J2TB。当时研制的目标是在700下105h的持久强度达88MPa以上，时效后的冲击功在40J以上，对燃煤烟气具有高的抗腐蚀能力。在NF709的基础上，新日铁进一步研发了低C、高Cr的NF709R，相对于NF709具有更高的耐蚀性，2007年4月由ASME Code case 2581批准。NF709R钢管具有优异的高温强度和抗腐蚀性能、热膨胀系数也较低，最高使用温度可超过700。自19922000年，这种钢已用于日本一些电厂的锅炉过热器管和再热器管。与目前超超临界锅炉使用的HR3C相比，NF709R钢管在650730间的强度比HR3C高约3050%，抗腐蚀性能接近，可代替HR3C。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,14,未来可供选用的锅炉受热面管选材,NF709(20Cr-25NiMoNbTiN)和NF709R（0.03C-22Cr-25Ni-Mo-Nb），钢NF709为新日铁公司在20世纪80年代中期研制，在日本JIS标准中表示为SUS310J2TB。当时研制的目标是在700下105h的持久强度达88MPa以上，时效后的冲击功在40J以上，对燃煤烟气具有高的抗腐蚀能力。在NF709的基础上，新日铁进一步研发了低C、高Cr的NF709R，相对于NF709具有更高的耐蚀性，2007年4月由ASME Code case 2581批准。NF709R钢管具有优异的高温强度和抗腐蚀性能、热膨胀系数也较低，最高使用温度可超过700。自19922000年，这种钢已用于日本一些电厂的锅炉过热器管和再热器管。与目前超超临界锅炉使用的HR3C相比，NF709R钢管在650730间的强度比HR3C高约3050%，抗腐蚀性能接近，可代替HR3C。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,15,NF709钢的105h持久强度（MPa）,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,16,NF709钢在700，典型的气氛（0.5%SO2+5%O2+15%CO2+平衡N2），合成灰（1.5molK2SO4+1.5molNa2SO4+1.0molFe2O3）环境中100h的试验结果，结果表明：NF709的高温抗腐蚀性能与TP310S相同，分别是TP347H的1.5倍、17-14Cu-Mo钢的3倍。,氯化物环境中的各种材料耐蚀性比较（500）,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,17,Sanicro 25是在20Cr-25Ni钢基础上添加3%W、1.5%Co、2.8%Cu以及微量的Nb、B、N。Sanicro 25钢是瑞典山特维克公司（Sandvik Materials Co.）研发的新型Cr-Ni奥氏体耐热钢。该钢是在传统奥氏体钢基础上加入W、Co、Cu、B等元素，增强了固溶强化效应，同时析出Nb(C,N)、NbCrN、M23C6和富Cu的沉淀相，采用多元复合强化，获得优异的高温持久强度、抗氧化/腐蚀性能。该钢的热导率优于HR3C，线膨胀系数低于HR3C，抗腐蚀性能优于NF709，抗蒸汽氧化性能优于HR3C和NF709。600-700间的持久强度比HR3C高于45%以上。目前，该钢已纳入德国VDTUV555材料单，在ASME SA213M-2010中的UNS号为S31035。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,18,Sanicro 25钢的105h持久强度（MPa）,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,19,几种奥氏体耐热钢抗蒸汽氧化试验结果的比较 Sanicro 25与NF709抗腐蚀性能比较,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,20,620 机组锅炉最危险的区段：再热器出口集箱接管 再热器出口集箱接管由于温度偏差，最高温度可达到630以上。再热器出口炉外段与集箱连接的管接头采用T92钢。尽管各锅炉厂采取延长不锈钢的长度，减少T92接管长度，可以减少风险，但无法彻底解决该问题。在设计方面尽量减小烟温偏差、蒸汽侧热力偏差，降低T92管接头的壁温。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,21,T91、T92钢制受热面管焊缝硬度 DL/T438 规定T91、T92钢制受热面管焊缝硬度为180-270HB。目前锅炉制造业有不同意见，按 EN ISO 15614-1“金属材料焊接工艺规程及评定焊接工艺评定试验“中规定，9%Cr-1Mo-V焊缝的硬度低于等于350HV10（333HB）。但该规程 同时要对焊缝进行冲击、弯曲试验。冲击功不低于母材，弯曲无裂纹。国内某锅炉厂制作的1000MW机组T91钢制二级过热器上部管屏焊缝 硬度290-360HB，弯曲试验开裂，焊缝马氏体组织粗大。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,22,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,23,T91、T92钢制受热面管焊缝硬度 DL/T438 考虑到现场不能随意取样进行冲击、弯曲试验，规定的T91、T92钢制受热面管焊缝的硬度180-270HB，充分考虑了焊缝的冲击、弯曲性能。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,24,高温联箱和主蒸汽管道、再蒸汽管道选P92，日本新矶子2#选P122 P122的抗氧化性能优于P92，强度低于P92；P92的抗蒸汽氧化性能略低于P91,T92与其它几种钢在600下水蒸气中的氧化腐蚀比较,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,25,关于P92 的服役温度 若汽轮机入口蒸汽参数为 28.0MPa/600/620，与常规超超临界机组26.25（27）MPa/600/600 相比，再热蒸汽管道的设计温度由608 提高到628。ASME B31.1-2010 CODE CASE183中规定，外径大于89mm的P92钢管最高使用温度低于621。ASME CODE CASE2179-3中有ASME B31.1-2010 CODE CASE183中的规定。ASME CODE CASE2179-6-2007中取消了ASME B31.1-2010 CODE CASE183中的规定。TSG G0001-2012“锅炉安全技术监察规程”规定，P92钢制蒸汽管道、联箱的最高使用温度低于630。德国相关导则（相当于行业内标准）中提到P92钢最高使用温度可达650。,二、620机组锅炉高温部件用钢,2023/2/21,26,关于提高P92 钢的Cr含量 对于650 机组，有人提出提高P92 钢的Cr含量到标准规定的上限9.5%Cr。实际目前德国V&M 公司、美国的威曼高登公司以及国内的北方重工生产的P92 钢管，Cr含量基本控制在 8.8-8.9%。若增加 Cr含量，固然有利于提高钢的抗氧化性能，但存在铁素体含量增加的风险，另外材料的强度、塑性也可能发生变化。,三、620机组汽轮机高温部件用钢,2023/2/21,27,620机组汽轮机高/中压缸高温部件用材,三、620机组汽轮机高温部件用钢,2023/2/21,28,620机组汽轮机进汽阀用材,三、620机组汽轮机高温部件用钢,2023/2/21,29,FB2、CB2 FB2是欧洲COST 522项目中研发的630超超临界机组转子钢，设定的目标为锻件的淬透直径大于等于1200mm，规定塑性延伸强度高于等于700MPa，620下105h的持久强度高于等于100MPa，持久塑性大于10%，比改良型12Cr的105h持久强度高30-40MPa。与FB2成分相同的CB2是铸钢，CB2是COST536中研发的铸钢FB2和CB2可用于600/620/30MPa的第二代超超临界机组汽轮机高温部件选材。,三、620机组汽轮机高温部件用钢,2023/2/21,30,FB2、CB2的化学成分,三、620机组汽轮机高温部件用钢,2023/2/21,31,FB2钢转子锻件的持久强度曲线 CB2铸钢件 的持久强度曲线,三、620机组汽轮机高温部件用钢,2023/2/21,32,TOS110的化学成分,三、620机组汽轮机高温部件用钢,2023/2/21,33,TOS110与TOS107钢持久强度的比较,四、高温部件用钢的国产化现状,2023/2/21,34,下列部件基本已具备国产化能力,四、高温部件用钢的国产化现状（Super304H）,2023/2/21,35,Super304H是日本住友的专利牌号，德国对应牌号为DMV304L，ASME对应牌号为S30432，GB5310中为10Cr18Ni9NbCu3BN.国外主要制造商包括日本住友金属和德国沙斯基达-曼内斯曼；国外制造工艺均为热挤压+皮尔格冷轧/冷拔。,四、高温部件用钢的国产化现状（Super304H）,2023/2/21,36,国内主要制造商情况,四、高温部件用钢的国产化现状（Super304H）,2023/2/21,37,国内各制造商设备能力,四、高温部件用钢的国产化现状（Super304H）,2023/2/21,38,国内目前不少电厂已采用国产管，例如 华能井冈山电厂 国华绥中电厂 大唐吕四港电厂 大唐信阳电厂,四、高温部件用钢的国产化现状（Super304H）,2023/2/21,39,国产Super304H管质量概况通过试验数据对比，国产管的化学成分、力学性能、金相组织、高温持久强度等指标均已达到国外同类产品水平；日本住友管中添加V、Mo元素，国内企业无统一规定；部分国内制造厂仍采用热轧穿孔的制管工艺，与国外热挤压工艺相比，可能会造成管子内外壁表层合金元素烧损；对内壁喷丸缺少统一规定及验收标准；热处理温度控制不当，时有晶粒度不合格情况出现，导致晶间腐蚀性能不满足要求。,四、高温部件用钢的国产化现状（四大管道）,2023/2/21,40,国外主要制造商,四、高温部件用钢的国产化现状（四大管道）,2023/2/21,41,国内主要制造商,四、高温部件用钢的国产化现状（四大管道）,2023/2/21,42,国内主要制造商垂直挤压工艺、锻造成型（北方重工）冲孔拔伸（武汉重工）皮尔格周期式轧制工艺（攀枝花成都钢管公司、湖南华菱、四川三洲、浙江格洛斯）穿孔斜轧（江苏诚德）,四、高温部件用钢的国产化现状（四大管道）,2023/2/21,43,国内 80年代就 采用国产（武汉重工）的12Cr1MoV钢管国内 目前 华能系统13个电厂 27台机组四大管道系统采用国产钢管（P22、P91、WB36）。P91 管道2009年底投运（华能济宁、白杨河）。锅炉制造厂炉顶管道采用国产钢管更早目前国产P92正在江苏南通1000MW机组采用用进口钢管在国内加工管件,四、高温部件用钢国产化现状（高中压转子锻件）,2023/2/21,44,国内超超临界汽轮机高中压转子用钢,四、高温部件用钢国产化现状（高中压转子锻件）,2023/2/21,45,国外主要制造商,四、高温部件用钢国产化现状（高中压转子锻件）,2023/2/21,46,国内主要制造商,四、高温部件用钢国产化现状（高中压转子锻件）,2023/2/21,47,国内外10Cr转子锻件 冶炼及热处理工艺差异国内外转子锻件冶炼工艺均采用电渣重熔或钢包精炼，但国外锻件的杂质元素含量明显低于国产锻件。国外规定转子锻件性能热处理第二次回火温度要高于第一次，但不得低于700，而国内JB/T 11019要求第二次回火温度应不低于650，国内转子性能热处理的回火温度相比国外偏低。,四、高温部件用钢国产化现状（高中压转子锻件）,2023/2/21,48,国内外10Cr转子性能差异国产10Cr钢锻件与国外锻件最大的差异是：国产锻件韧性（冲击吸收能量和断裂韧度）明显低 例如，某汽轮机厂提供的X12CrMoWVNbN10-1-1钢制中压转子的轴身径向冲击吸收能量为48/16/40/14/22/28（J），远低于TLV9258中的规定的30J；轴身不同部位的晶粒度1级或1-2级，粗于JB/T 110192010中锻件的平均晶粒度不应粗于2级的规定；另外，轴身部位的脆性形貌转变温度FATT50较高（72）。2 国产锻件轴身硬度略低于国外锻件，且国产锻件轴身硬度均匀性差。例如进口TOS107钢锻件硬度260280HB，国产锻件硬度250280HB。3 国产锻件的拉伸性能、低周疲劳和持久强度 略低于国外锻件,四、高温部件用钢国产化现状（高中压转子锻件）,2023/2/21,49,国内外10Cr转子性能差异-化学成分,国产材料杂质元素含量偏高，Nb含量偏高。,四、高温部件用钢国产化现状（高中压转子锻件）,2023/2/21,50,国内外10Cr转子性能差异-冲击韧性,国产材料冲击韧性明显偏低。,四、高温部件用钢国产化现状（高中压转子锻件）,2023/2/21,51,国内外10Cr转子性能差异-微观组织,国产材料供货态中发现有大量富Nb相，进口材料中未发现，尺寸在600-700nm，可能是冶炼过程中未完全固溶的含Nb化合物。,四、高温部件用钢国产化现状（高中压转子锻件）,2023/2/21,52,国产10Cr转子锻件的应用国产10Cr转子锻件已在国内不少超超临界汽轮机应用（例如华能石洞口二厂、福州电厂），对于 冲击吸收能量不满足相关标准，汽轮机厂均采取“回用”处理。应加强对国产12Cr转子的运行监督，并制订相应的金属监督和运行监督措施。,四、高温部件用钢国产化现状（高温高压铸钢）,2023/2/21,53,国内超超临界汽轮机高温高压铸钢,四、高温部件用钢国产化现状（高温高压铸钢）,2023/2/21,54,所有的超超临界汽轮机高温高压铸钢均可国产目前，上海汽轮机厂 已开始CB2 铸钢件的国产,结语,2023/2/21,55,如何保证国产部件的质量？对国产部件的各项性能进行深入研究，掌握国产与进口材料之间的性能差距和国产部件的性能特点，针对国产部件性能特点，制订针对性的部件制造监检和运行监督措施；一支熟悉国产部件性能特点的监造队伍可以有力地保证国产部件的制造质量。西安热工院电建部完成了国产首台1000MW超超临界燃煤机组、国产首台600MW超超临界燃煤机组、国产首台350MW 超临界燃煤机组的设备监造与检验。共计完成110余台机组，其中1000MW级燃煤机组24台、燃气机组9台、循环流化床机组6台。,结语,2023/2/21,56,超超临界机组关键材料的国产化扭转了长期依赖进口的局面，在降低建设成本、缩短建设周期上发挥了重要的作用。国产化工作任重道远，需要各方携手共同努力！,谢 谢,
