分类：建筑论文 时间：2022-02-16 热度：478
摘 要:报道了蒸汽温度 700 ℃ 超超临界锅炉水冷壁和过热器等受热面部件的材料性能，分析了 12Cr1MoVG，T23，T24，T91，T92，T122，VM12 SHC，TP347H，TP347HFG，Super304H，TP310HCbN， Sanicro25，HR6W，617Mod 和 740H 管子制造 700 ℃超超临界锅炉水冷壁和过热器等受热面的适用温度范围，提出了 700 ℃超超临界锅炉水冷壁和过热器等受热面选材建议。
关键词:700 ℃超超临界锅炉;水冷壁;过热器;适用温度
0 引言
为了节能减排，许多国家正在开发 700 ℃ 超超临界机组。与 600 ℃ 超超临界发电技术相比， 700 ℃超超临界机组效率提高至 46% 以上，供电煤耗将由 600 ℃参数机组的 270 g /(kW·h)下降到 240 g /(kW·h)以下，不仅节约煤炭，而且使排放大幅度下降[1 - 3]。
在燃煤发电机组的发展历程中，高温材料一直是机组类型改进提升的关键，高温材料性能的水平起到影响机组发展的决定性作用，随着机组工作参数值不断提高，材料的这种影响越来越明显[4]。因此，700 ℃ 超超临界锅炉开发的技术瓶颈是过热器管子等的高温材料。
2010 年，中国国家能源局成立了“国 家 700 ℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”。2011 年，上海锅炉厂有限公司(以下简称上锅)承担了科技部 863 课题《700 ℃ 锅炉部分关键热部件加工技术开发和实验验证》。2012 年，华能清洁能源技术研究院和上锅等单位承担了能源局课题《国家 700 ℃ 超超临界燃煤发电关键技术与设备研发及应用示范》，计划在 320 MW 超临界机组锅炉上安装 700 ℃锅炉高温材料验证试验平台[5]。
上锅已经根据“700 ℃ 锅炉高温材料验证试验平台技术实施方案”进行 700 ℃ 锅炉高温材料验证试验平台用水冷壁、过热器、集箱、减温器和管道的施工设计，进行 Sanicro25，617Mod，740H 等材料焊接工艺评定，完成相关部件的制造工作，然后在试验平台上进行验证试验。计划在 700 ℃ 锅炉高温材料验证试验平台用水冷壁、过热器、集箱、减温器和管道在 700 ℃ 蒸汽高温运行 1 万多小时后，从 700 ℃锅炉高温材料验证试验平台的部件取管子和管道母材及焊接接头试样进行可靠性评定试验。
中科院金属研究所已经对 GH2984 铁镍基合金进行改进，开发高温持久强度优于 617Mod 的 984G 管子[6]。中国钢研科技集团有限公司和有关钢厂正在研制 700 ℃锅炉高温受热面用铁镍基合金小口径管和镍基合金小口径管和镍基合金大口径管。
1 700 ℃锅炉初步计算温度和设计压力
对于 700 ℃ 超超临界锅炉总体设计，各锅炉制造商均有自身技术特点。在炉型、燃烧方式、水冷壁形式、受热面布置等方面存在比较大的差异，但无论哪种方式，其关键部件水冷壁出口温度、高温过热器及高温再热器金属壁温值差别甚小，故可认为 700 ℃锅炉对材料性能要求不会由于锅炉总体设计方案的不同而发生大的变化。图 1 示出 700 ℃超超临界锅炉总体设计和受热面布置的一种典型方式。600 MW 机组锅炉主蒸汽出口压力 36. 5 MPa，锅炉主蒸汽出口温度 705 ℃，锅炉再热蒸汽出口温度 723 ℃。表 1 列出 600 MW 锅炉主蒸汽参数为 36. 5 MPa，705 /723 ℃锅炉水冷壁和过热器初步计算金属壁温和设计压力。
2 受热面材料性能
水冷壁是蒸汽温度 700 ℃超超临界锅炉的关键部件。需满足下列要求:高的强度指标、良好的防烟气侧腐蚀和抗蒸汽侧氧化特性、良好的焊接性能和加工成形特性。
700 ℃超超临界锅炉过热器外部为 800 ℃ 以上的高温烟气，内部为压力 36. 5 MPa 以上、温度 705 ℃ 左右的高温高压蒸汽，管子金属设计最高温度达到 750 ℃左右，局部过热器管子金属温度有时可能超过管子金属的设计温度。要求过热器管子材料具有高的持久强度、良好的抗高温蒸汽氧化性能和抗高温烟气腐蚀性能、优良的焊接性能和易于弯管的可加工性能[7]。
因此，要求 700°C 超超临界锅炉受热面候选材料具有优良的力学性能、较高的高温许用应力、较低的线膨胀系数，相关标准[8 - 10]数据如表 2 ～ 4 所示。
上锅对一些厂家的镍基和铁镍基钢管进行了相关评定，以验证这些钢管能否满足 ASME 规范对材料的要求。
(1)对 HR6W 小口径管及其焊接接头进行了 10000 多小时的高温持久强度等性能试验，证明 HR6W 小口径管焊接接头性能满足 ASME 规范要求。
(2)对 Sanicro25 小口径管及其焊接接头进行了 10000 多小时的高温持久强度等性能试验，证明 Sanicro25 小口径管材料及其焊接接头性能满足 ASME 规范要求。
(3)对 740H 小口径管进行了 10000 多小时的高温持久强度等性能试验，证明 740H 小口径管材 料 性 能 满 足 ASME 规 范 要 求。正 在 进 行 740H 小口径管焊接试验及焊接接头高温持久强度试验。
(4)对 617Mod 小口径管进行了 10000 多小时的高温持久强度等性能试验，证明 617Mod 小口径管材料性能满足 ASME 规范要求。正在进行 617Mod 小口径管焊接试验及焊接接头高温持久强度试验。
3 超超临界锅炉受热面材料使用温度范围分析
3. 1 超超临界锅炉水冷壁材料使用温度范围分析
600 ℃蒸汽温度以下超临界锅炉水冷壁选用低合 金 铬 钼 钢，如 T12，T22，12Cr1MoVG，T23， T24。700 ℃超超临界锅炉水冷壁出口介质温度达到 530 ℃左右，水冷壁金属设计温度近 600 ℃。在这种情况下，水冷壁材料不但要满足高温强度的要求，还必须考虑抗烟气侧腐蚀和抗蒸汽侧的氧化，低合金铬钼钢不能满足要求，必须使用更高合金的材料。
T91 和 T92 在电厂安装焊接后应该进行焊后热处理，这对水冷壁电厂安装带来了很大挑战。 T122 材料抗腐蚀性强，但强度低于 T92，制造水冷壁，壁厚太厚。用 617Mod 镍基合金管子制造水冷壁，持久强度、抗烟气腐蚀和抗氧化等性能均能满足，也不需要焊前预热和焊后热处理，但 617Mod 镍基合金管价格昂贵，制造水冷壁不合适，故还没有一种合适的 700 ℃ 超超临界机组锅炉水冷壁选材方案。
对于螺旋上升的水冷壁，如果壁厚太厚，内外侧温度梯度太陡，运行时温差应力将显著增大，这样对温度相对较低的背火侧十分不利，况且背火侧还焊有大量附件，会在焊接缺陷处及焊接接头热影响的粗晶区引起开裂。
为了使受热面管传热性能好，受热负荷较高的炉管(例如位于烟温高于 800 ℃ 区域的锅炉水冷壁)的平均壁厚最好不大于 7 mm。由于 700 ℃ 锅炉水冷壁管子金属设计温度近 600 ℃、设计压力很高，不得不采用壁厚更厚的水冷壁管子。根据 1000 MW 超超临界锅炉水冷壁设计、制造和运行经验，水冷壁管子最大壁厚可以为 9 mm。
图 2 ～ 5 示出了 4 种材料在不同壁厚时可以使用的最大设计压力和最高设计温度。
从图 2 ～ 8 可以看出，当选用外径 42 mm 管子制造水冷壁时，T12 的适用温度范围为:金属设计温度不大于 440 ℃ ;12Cr1MoVG 适用温度范围为:金属设计温度不大于 510 ℃ ;T24 的适用温度范围为:金属设计温度不大于 530 ℃ ;T23 的适用温 度 范 围 为: 金属设计温度不大于 535 ℃ ; VM12 SHC适用温度范围为:金属设计温度不大于 550 ℃ ;T91 的适用温度范围为:金属设计温度不大于 560 ℃ ;T122 的适用温度范围为:金属设计温度不大于 560 ℃ ;T92 的适用温度范围为:金属设计温度不大于 575 ℃。当水冷壁金属设计温度大于 575 ℃，应选用 617Mod 镍基合金管。
通过上述各种材料选用温度上限分析，可以看出，没有必要选用 T24，T91，T122，VM12 SHC。推荐使用 T12，12Cr1MoVG，T23，T92 和 617Mod 制造 600 MW，700 ℃超超临界锅炉不同温度段水 冷壁。
3. 2 超超临界锅炉过热器材料使用温度范围分析
超超临界锅炉过热器管子外径一般为 38 ～ 48 mm，不同壁厚、各种材料过热器管子可以使用的最大 设 计 压 力 和 最 高 设 计 温 度 如 图 9 ～ 16 所示。
从表 5 可以看出，随着温度的提高，每提高 10 ℃，过热器材料许用应力下降幅度不断增加，这表明:随着工作温度的提高，材料对过热器的局部超温敏感程度加大。由于过热器处于锅炉内部的高温烟气区域，在不同运行工况下，局部过热器管子可能超过过热器计算金属温度，所以当过热器管子工作温度在每提高 10 ℃，过热器管子材料许用应力下降幅度较大的温度区间，一般宜选用更高等级的材料。
需要综合考虑过热器管子壁厚不能太厚、管子内壁需要具有优良的抗高温蒸汽氧化性能，管子外壁需要具有优良的抗高温烟气腐蚀性能，对运行中过热器局部超温的敏感性较小等材料性能要求，合理选择各温度段过热器的材料。
从上述分析可以看出，Sanicro25 的许用应力比 TP310HCbN 高 50% 左右，故使用 Sanicro25 取代 TP310HCbN 制造 700 ℃超超临界锅炉过热器，可以降低过热器管子壁厚，提高过热器对锅炉变工况运行的适应性。
综上所述，对于管子金属设计温度在 650 ～ 700 ℃ 的过热器，选用 Sanicro25 铁镍基合金管; 对于管子金属设计温度超过 700 ℃ 的过热器，选用 617Mod 或 740H 镍基合金管;对于管子金属设计温度超过 750 ℃ 以上的过热器，选用 740H 镍基合金管。
4 结论
(1)700 ℃ 超超临界锅炉水冷壁备选材料是 T12，12Cr1MoVG，T23，T92，617Mod。
(2 ) 700 ℃ 超超临界锅炉宜选用 T92， Super304H，Sanicro25，617Mod，740H 设计制造过热器。
(3)使用 Sanicro25 取代 TP310HCbN 设计制造 700 ℃超超临界锅炉过热器，可以降低过热器管子的壁厚，提高过热器对锅炉变工况运行的适应性。
(4) 对于管子金属设计温度在 650 ～ 700 ℃ 的过热器，选用 Sanicro25 铁镍基合金管;对于管子金 属 设 计 温 度 超 过 700 ℃ 的 过 热 器，选 用 617Mod或 740H 镍基合金管;对于管子金属设计温度超过 750 ℃ 以上的过热器，选用 740H 镍基合金管。——论文作者：王崇斌，徐雪元，诸育枫，金用强，王 煜，田志豪，卢小莉
参考文献:
[1] 赵钦新，郭元亮，史进渊，等. 锅炉全生命周期安全高效运行和节能减排[J]. 压力容器，2013，30(1):1 - 14.
[2] 程世长. 超超临界锅炉钢和合金的发展动向[C]/ / 第 11 届全国高温材料及强度会议论文集. 杭州:中国机械工程协会，2012，111 - 119.
[3] 张国伟. 700 ℃等级超超临界锅炉介绍[J]. 锅炉制造，2012，(2):5 - 7.
[4] 迟成宇，于鸿垚，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， 13(2):42 - 59.
[5] Sun Rui，Cui Zhanzhong，Tao Ye. Progress of China 700 ℃ USC development program[C]/ /The 7th International Conference on Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants. Hawaii，USA:Electric Power Research Institute，2013.
[6] 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.
[7] 梁军. 超超临界火电机组钢材选用分析[J]. 电力建设，2012，33(10):74 - 78.
[8] ASME 第二卷 A 篇，铁基材料[S]. 2013.
[9] ASME 第二卷 B 篇，非铁基材料[S]. 2013.
[10] ASME 第二卷 D 篇，材料性能[S]. 2013.
[11] GB 5310—2008，高压锅炉用无缝钢管[S].
