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Unit 1000MW 的博客

百万机组的博客

 
 
 

日志

 
 

百万机组之中国之痛之金属材料  

2009-12-01 18:27:15|  分类: 百万机组之论文阅 |  标签: |举报 |字号 订阅

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题外之音:

2009年11月11~13日在上海外高桥电厂参加“超超临界机组技术年会”,也就见到了杨富高工,国际焊接工程师,其他头衔不写了,再写也是望尘莫及。一个从事火电行业的小人物,能够见到的成名人物目前如同百万机组的数量,非常稀少。但难得碰上一、二个金属材料方面的,那都是让人跌破眼镜的高人,2009年6月听浙江电试院龚老师的讲座,金属材料我如听天书,但两句话至今记忆犹新,一是对自己生命的预测,二是说到大学生就业的恶劣。呵呵,也是高人。

十几年前听说中国火电技术和国际先进技术的差距,大约落后30年左右,总是难以相信,我也是热动出生,以为明明白白的朗肯循环(Rankine)既然已经写入教科书,动点脑筋也是可以理解,十几年后碰上超超临界机组,才知道所说是真。知道原子弹制造原理而要把它生产出来,期间的过程可能不止30年。大学中费尽心机努力学习的传热学和热力学等等诸多学科并没有阻挡国内超超临界机组的发展,而一门极不起眼的学科《材料力学》居然却成为中国电力发展历史上的大山,当然还有一座大山是制造工艺,我就只能模模糊糊地猜测一下,借用中国工程院院士、95式枪族的设计师朵英贤先生话说:“你把咱们的这个东西拿上,你跟美国的或者是奥地利的AUG拿过来一看,材料,我们这都是塑料,跟人家的塑料没法比,我们的铝线,铝材跟人家这上面的铝材没有办法比,工艺,我们一般是粗的,你闭着眼睛一看,三个枪一看,那个最粗的是咱们的。”才知道真正阻挡超超临界技术的是两样东西:材料和工艺。闲话不说了,以下的内容来自三篇论文(需要者可联系)

 

杨富——我国火电发展的关键技术及其质量综述 2009年10月

戴平——国产P91钢管道存在的问题及其解决 广东电力2008年8月

周荣灿,范长信——超超临界火电机组材料研究及选材分析 中国电力2005年8月

 

一、我国火电发展的关键技术及其质量综述用材情况

国家科技部863计划超超临界燃煤发电技术课题研究结论:推荐现阶段我国发展超超临界机组,其参数为P=25MPa~28MPaT600 /600 ,一次再热。

发展USC机组的关键技术——新型耐热钢的开发、焊接及热处理。

USC机组就是通过提高火电机组锅炉蒸汽温度、压力参数提高机组效率,特别是温度参数对效率的影响更为显著,而提高蒸汽参数遇到的主要关键技术是金属材料的耐高温、高压及焊接和热处理问题。

我国正在建设的USC机组大量采用的新型铁素体耐热钢为SA213-T23T91T92SA335-P91P92P122及新型奥氏体耐热钢为A213M-S30432(SUPER304H)TP310HCbN(HR3C)SC/USC锅炉承压部件用钢选择。

承压部件

超临界

超超临界

水冷壁

T1,T2,T11

T1,T2,T11,T23/T24

过热器

T12,T22,T23,T91

T12,T22,T23,T91,T92, TP310HCbN(HR3C)

再热器

TP304H,TP347H

A213M-S30432(SUPER304H)

主蒸汽管道

P91

P92/P122/E911

再热冷段

A1672B70CL32

A691Cr1-1/4CL22

再热热段

P91/P92

P91/P92

给水管道

WB36

WB36

 

国内近几年开始研究超超临界机组的相关技术,并有数台机组投入,由于煤电将在很长时间内在我国占主导地位,超超临界火电技术在我国有着非常广阔的发展前景。

近几十年来国内的电站新材料开发几乎处于完全停滞状态, 目前超超临界机组甚至包括部分亚临界机组的关键材料或部件几乎完全依赖进口,这种状态在短期内还无法改变:从国外购买先进材料是发展超超临界技术的最现实的途径,另一方面,国内对于现阶段超超临界机组所需各种新材料的加工工艺和服役特性研究也刚起步,缺乏足够的材料加工和使用经验,为保证机组的顺利建设和将来长期安全可靠的运行还需要进行大量工作。

 

二、P91钢管道的国产化历程

 

随着大容量高参数机组的开发,特别是300MW,600 MW 亚临界、超临界机组国产化实施,原国家计委在“九·五”期间斥资立项进行T91钢管、P91钢管国产化研制。1998年国产P91钢管通过评定验收,但未能批量生产,原因是持久强度偏低及钢管厂轧制能力不足。“十·五” 期间,原国家经贸委立项“国产600MW火电机组研制”,国产P91钢管工艺性能完善化研究作为一个子课题由西安热工研究院负责,重点研究合金成分优化和热处理工艺优化。

    国产P91钢管与进口P91钢管的差距

从冶炼工艺、制管工艺、热处理及表面整形工艺分析。

a)     冶炼工艺。国内冶炼工艺方法是电弧炉冶炼加DV除气,与国外进口P91钢材料工艺基本相同,但在杂质控制方面手段和要求差异较大,国内厂家主要控制化学元素S,P,国外则较严,尤其是对化学元素V,Nb,N,O控制都有严格标准和规定。

b)     制管工艺。国内目前制管工艺的主要方法是“直接轧制”和“轧制加扩管”两种,而国外在反挤压制管工艺(WC)、连铸连轧和拨伸制管(V&M)都拥有了先进的设备和技术。相比,国内厂家的工艺受到极大限制。

c)     热处理工艺。国外生产厂的试验投入非常大,为获得最佳热处理工艺打下了坚实的基础,而且执行ASME标准,工艺参数控制严格,而国内厂家在热处理设备性能、温差控制、温度标定等,还有一定差距。

d)     表面整形。国外WC 采用强力磨削,V&M采用内镗外车,国内厂家主要采用内镗外车和砂轮打磨,工艺比较差别不大。随着成都大无缝钢管厂等一批国内生产厂和常州V&M国外合资厂的出现,P91钢管道国产化大势所趋,但质量问题仍然存在。

 

三、材料技术在超超临界机组中的作用

超超临界(USC)机组相对超临界机组蒸汽温度和压力的提高对电站关键部件材料带来了更高的要求,尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、加工性能等,因此材料和制造技术成为发展先进机组的技术核心。对锅炉来说具体表现在:

(1)  高温强度:对于主蒸汽管道,过热器/再热器管、联箱和水冷壁材料都必须有与高蒸汽参数相通应的高温持久强度。

(2)  高温腐蚀:烟气侧的腐蚀是影响过热器、再热器、水冷壁寿命的一个重要因素, 当金属温度提高,烟气腐蚀速率将大幅度上升,因此超超临界机组中腐蚀问题更加突出。

(3)  蒸汽侧的氧化:运行温度的提高加剧了过热器、再热器甚至包括联箱和管道等蒸汽通流部件的蒸汽侧氧化.这将导致3种后果:氧化层的绝热作用引起金属超温、氧化皮的剥落在弯头等处堵塞引起超温爆管、剥落的氧化物颗粒对汽轮机前级叶片和喷嘴等的冲蚀 。因此在过热器、再热器等材料选择中应充分考虑到抗蒸汽氧化及氧化层剥落性能。

(4)  热疲劳性能:由于机组启停、变负荷和煤质波动引起的热应力,对主蒸汽管道、联箱、阀门等厚壁部件,材料的抗热疲劳性能是与高温强度同等重要的指标,应在保证强度的前提下尽可能选择热导率高和热膨胀系数低的铁素体耐热钢。

(5)  对汽轮机而言,其中的转子、叶片以及其他旋转部件承受巨大的离心力, 运行参数的提高对耐热钢的热强性能提出了更高要求,而汽缸、阀门等由于温度和压力的提高也需要更好的热强性能,高温紧件需要有更高的拉伸屈服强度和蠕变松弛强度,在蒸汽环境下的抗应力腐蚀能力以及足够的韧性、塑性以避免蠕变裂纹形成。机组的启停、变负荷要求厚壁部件如转子、缸体、阀门材料有低的热疲劳和蠕变疲劳敏感性。对再热蒸汽温度高于593℃的低压转子还必须考虑材料的回火脆性。

 

四、国外耐热钢开发计划

美国、英国和德国曾经在20世纪50、60年代投运了几台USC机组,但由于技术和经济原因,这些机组都只能降低参数运行。制造和运行中出现的多数是材料问题,受当时的材料技术水平限制,厚壁部件采用奥氏体耐热钢,导致高温热力和疲劳开裂。考虑到建设成本和可用率,后来新建的机组退回到了亚临界参数。20世纪70年代能源危机的出现使人们重新考虑高参数发电技术,促成丁一系列发展超临界和超超临界发电技术的合作研究计划。由于已充分认识到耐热材料对成功实现高参数机组建造和可靠运行的决定性作用,这些研发项目都把耐热材料的研究和应用作为主要内容,其研究结果构成了超超临界机组的材料技术基础。目前还在进行新一轮材料研究计划为今后20~30年提供先进的发电技术创造条件。

 

4.1 欧洲超超临界机组材料研究

4.1.1 C0ST 501计划

欧洲超超临界电站材料的研发主要 COST(Cooperation in Science&Technology) 计划的支持下完成。l983一l997年进行的C0ST 50l计划主要开发化石燃料电厂部件用先进材料,研究范围非常广,几 包括了耐热钢、高温合金、ODS合金、陶瓷等各种材料的开发和性能研究。在汽轮机发电技术中,COST50l计划的目标是建立参数为29.4 MPa,600℃ /600℃ 和29.4 MPa/600℃ /620℃ 的机组,其中包括高氮和含硼铁素体钢的开发、联箱及管接头的整体粉末冶金制备等。COST50l由来自欧盟各国的设备和材料生产企业、电力公司参与研究和开发,并与VGB、Brite—Euram、Mareko、ECCC 等机构和项日紧密结合。整个项目分3个阶段进行,开发了E9ll锅炉管和高温蒸汽管道材料,C0ST E、C0ST F 和C0ST B 等汽轮机转子材料,G-Xl2CrMoWVNbN91和G—Xl2CrM0W VNbN l0 ll铸钢等, 同时对P91、E911等材料的加工艺和性能进行了全面的研究。

4.1.2 C0ST 522计划

COST522计划是欧洲在先进发电技术领域的一项新举措,即“2l世纪的发电:高效率、低污染的发电厂”,它是在以往的C0ST计划特别是C0ST 501计划成功基础上的继续。该计划1998年8月开始,到2003年结束。其中有16个欧盟同家的70个不同机构参与,共有l00多个研究项日:计划开发合适的材料、涂层和表面处理以满足:(1)最高入口蒸汽温度650℃的蒸汽轮机电厂;(2)燃烧窒温度1450℃、NOx排放小于l0×l0-6的燃气轮机的需要。

在蒸汽轮机项目中,将应用铁素体钢建造蒸汽参数为29.4 MPa/620℃/650 ℃ 的超超临界机组,效率达到50%左右。同时还将改善寿命预测的方法,建立描述蠕变和低周疲劳行为的材料模型,改善电厂模拟技术和运行状态的监测。

4.1.3Thermie AD700项目

欧盟还启动了最新一轮的研发汁划— — ThermieAD700 PF Power Plant (兆卡计划一先进的700℃ 燃煤电厂),即在今后20年实现37.5 MPa/700℃ 参数运行, 机组效率达到55% 的日 ,预计于20l5年完成。其中关键部件将采用Ni基高温合金,材料研究工作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。例如他们正计划用改良Inconel 6l7制造用于高温出口部件的锅炉大口径管。作为过热器管这种材料的750℃/l×l05 h持久 度 达到l00 MPa,作为其他高温区域用的大口径管道700℃的强度达到l00 MPa,但是制造改良Inconel大口径管的工艺还有待开发。Thermie计划是围绕2个主题进行组织的:更清洁的能源系统包括可再生能源;有助于提高欧盟竞争力的经济高效的能源系统。

4.1.4 C0ST 536计划

COST 536计划,即“环境友好电厂的关键部件合金的开发”。通过前期的COST 501和522项目开发出了一系列的9% ~l2% Cr钢,部分已经取得了良好的效益,目前最先进的火电机组参数 600~620℃ ,通过对这类材料进行改进可使蒸汽温度提高到640~650℃,获得2%~3% 的机组效率增益。成本却不明显提高。COST536 前 2个项目相比,主要在3个层次集中一些新的技术领域:(1)在纳米尺度(合金开发和组织稳定性)的计算机辅助合金设计和模拟;(2)在介观尺度(力学和氧化性能测试)解决同时获得高的高温强度与抗氧化性能所而临的挑战,通常需要开发涂层材料;(3)在宏观尺度(部件制造和测试)解决实际部件与实验室试制材料之间的性能差异,以及常规无损检测技术在新材料应用中的局限性。

C0ST 50l 和522 是2个比较成功的项目,COST 536是前2个项同的继续, 研究方法上更多地采用材料的计算机模拟等理论方法,该项目同时对AD700项目起到补充和支持。本项目为期5 年,有欧盟l4个国家参加,研究经费约l300万欧元。此外,在欧洲各国还有自己的耐热材料研究项目,如德国的MARKCO和VGBl58、英国洁净煤技术项目等。

4.2 日本新材料研究

日本的钢铁生产企业和锅炉、汽轮机制造商等都投入了大量的力量开发新型耐热材料,比较成功的有新日铁的NF6l6(T/P92)、 住友金属的HCM2S、HCM12A、Super304H、TP347HFG、HR3C 等锅炉部件用钢和TMK1、TMK2等转子用钢。20世纪80年代初,日本启动超超临界发电技术的研究计划,由电源开发公司(EPDC)领衔,钢铁、锅炉、汽轮机制造厂和研究机构参加。日本当时已经开发出了一系列的耐热钢,其蠕变强度和耐腐蚀性能都很好, 因此日本的研究主要集中于这些耐热材料在现场应用中的性能数据和可靠性。第l阶(198l—l993年)的研究内容包括材料基础性能试验、593和649℃锅炉、汽轮机的单元试验、高温转子试验和超高温汽轮机运行验试验等,其目标是开发应用铁素体耐热钢的31.4 MPa/593 /593 /593℃ 以及应用奥氏体钢的34.3 MPa/649 /649 /649℃ 的两次再热机组;第2 阶段(1994—2000 年) 的目标是开发应用铁索体钢的30 MPa/630℃/630℃ 的一次再热机组。

l997年起日本国立金属研究所(NRIM)启动厂项用于35 MPa/650℃ 参数级别的超超临界机组大管径管道和联箱的高级铁素体耐热钢的研究计划。日前日本还在进行的“新阳光(New Sunshine)”发电技术研究计划, 建造运行温度700℃ 的发电机组,该项目由日本电力(即以前的电源开发公司)牵头,得到了日本通产省的大力支持,目前正对所需材料进行研究。

4.3 美国研究计划

美同电科院(EPRI)早 l978一l980年就开始了一些基础研究,l986年EPRI又组织了包括美国、日本和欧洲锅炉、汽轮机制造厂参与的RP1403项目,为期8年,对电站锅炉厚截面部件用钢、材料的标准化、现场试用等进行研究。该项目研究结果证实NF6l6(P92)和HCM l2A(Pl22)钢是制造锅炉厚截面部件的合适材料。2000年美国能源部启动了一项“Vision 2l”计划,为l5年以后建立能使用煤、天然气、石油焦、生活垃圾等多种原料且能生产电能、液体燃料、化工品、氢或生产供热等多种产品的工厂提供技术支持,且要求实现零排放,蒸汽参数达到760℃ ,可进一步达到870℃ ,目前为止提供用于5 年期材料研究的经费为2 l00万美元,其中包括高温热交换器材料、而耐火材料、氢分离薄膜材料等的研究。

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