700℃超超临界机组高温材料研发最新进展

1、700超超临界机组高温材料研发最新进展毛健雄清华大学热能工程系摘要：中国现在是燃煤火电装机容量最大的国家， 也是二氧化碳排放最大的国家，尽可能提高电厂效率，大力发展超超临界燃煤火电技术， 是当前降低火电二氧化碳排放最现实、最可行、最经济、最有效的途径。本文重点介绍欧盟的AD700和COMTES700等计划，以及美国和日本的700 超超临界计划对高温材料研发的最新进展，其中包括材料试验、高温材料部件挂炉试验结果和示范厂计划，与此同时， 文章还就高温金属材料用于700 等级超超临界机组的瓶颈和制约因素和解决方案进行了探讨。关键词：700超超临界技术；高温金属材料1 前言中国是目前世界最大的煤炭生产

2、和消费国，也是世界上最大的二氧化碳排放国。为了应对气候变化，中国现在面临着巨大的二氧化碳减排压力。2010年中国煤炭消费量达32亿吨，其中用于燃煤发电的煤量约占全国总煤炭消费量的55%， 实际上， 燃煤火电是中国最大也是最集中的二氧化碳排放源。图1所示， 为燃煤火电厂降低二氧化碳排放的可能技术途径，其中碳捕获和埋存技术（Carbon Capture and Storage CCS）是高能耗和高投资的技术，现在还处于研发阶段，并不是当前可实用的技术。大容量火电厂煤与生物质混烧发电，目前中国还没有相应的激励政策，而且其推广应用还受到各种因素的制约，对二氧化碳的减排贡献有限。因此，在CCS能够得到大

3、规模推广应用之前的一个相当长的时期内，最可行、经济、可靠的燃煤火电机组二氧化碳减排的途径就是提高效率，其途径是：（1）坚持“上大压小”政策，坚决关停低效率的小机组，大力发展大容量高效率火电机组； （2）千方百计，技术创新，尽可能提高现有火电厂的效率；（3）大力发展高参数更先进的超超临界技术，进一步将600等级超超临界机组的净效率提高到48%以上；（4）发展更大容量的先进的37.5MPa/700/720/720双再热机组，将1,000-1,500MWe超超临界机组净效率提高到50%以上。时间提高效率CO2排放降低率煤与生物质混烧发电（CCS)碳捕获和封存（CCS)长期中期近期图1 燃煤火电厂走向

4、二氧化碳接近零排放的技术途径表1为各种蒸汽参数火电机组热效率的比较，表2为中国现在投运的不同蒸汽参数机组的设计性能比较。由表1可见，对于火电机组，蒸汽参数越高，再热次数越多，给水温度越高，则效率越高。因此，现在火电机组提高效率的主要途径，就是提高蒸汽参数，发展超临界和超超临界机组。表3为火电厂净效率和CO2排放的关系，表4为火电机组热效率、发电煤耗和每度电CO2排放量之间的关系，它们表明了提高效率和CO2减排之间的定量关系。例如，1,000MWe的超超临界机组要比600MWe亚临界机组的标准煤耗低33 gce/kwh，而正在开发的最先进的700超超临界机组，其净效率可达53%，其每度电的CO2

5、排放量要比现在世界的平均水平低42 gce/kwh。因此，尽可能提高蒸汽参数是大大提高效率、降低煤耗和减排CO2的重要措施。表1 各种蒸汽参数火电机组热效率的比较机组类型蒸汽参数再热次数（次数）给水温度（)热效率(%)亚临界17MPa/540/540127535超临界24MPa/538/566127540超超临界25MPa/600/600127545超超临界35MPa/700/700127548.5超超临界30MPa/700/720/720231051超超临界35MPa/700/720/720232052.5超超临界37.5MPa/700/720/720233553表2 中国现在投运的不同蒸汽

6、参数机组的设计性能比较机组类型亚临界2600MWe超临界2600MWe超超临界21,000MWe蒸汽参数16.7MPa/538/53824.5MPa/538/56624.5MPa/566/566汽轮机的热(Kcal/kwh)1,8771,8301,780热效率 (低位热值) ()3942.9143.63标准煤耗 (gce/kwh)315286282煤耗的降低 (gce/kwh)基数2933表3 火电厂净效率和CO2排放的关系燃煤火电厂净效率%单位发电量CO2排放值g/kWHhCO2减排率%301100基数3595013.64082025.54575031.85068038.25560045.5

7、表4 火电机组热效率、发电煤耗和每度电CO2排放量之间的关系项目世界最高水平世界先进水平欧盟平均水平世界平均水平热效率（）50453830发电煤耗（gec/kWh)238320379480CO2排放值（g/kWh)6697439911,1601kWh的CO2减排（）423624基数根据这一指导思想，中国采取了“上大压小”等一系列政策，大大推动力大容量、高参数超超临界机组的发展。据统计，自2007年以来中国订货的600 等级的1000MWe 超超临界机组为97台，总容量为97,000MWe 。至2010年底在建68台，现在已建成投产的29台。以上海外高桥三电厂为代表的1000MWe 超超临界机组

8、，其2010年的供电煤耗达279gce/kWh，为世界上最先进的水平。这一1000MWe 超超临界机组每度电的二氧化碳排放要比全国平均水平低200 g/kWh以上。发展高参数高效率的超超临界机组，关键是材料。现在能够满足600 蒸汽参数超超临界机组的合金铁素体（Ferrite）和合金奥氏体（Austenite ) 材料已经在现有600超超临界机组中得到大规模的应用。 为了进一步将机组的净效率提高到50% 以上， 就必须将蒸汽温度提高到700以上，这样，能够满足600 蒸汽参数的合金铁素体和合金奥氏体材料已经不能满足要求，必须采用镍基合金材料。水冷壁材料 过热器/再热器材料 主蒸汽/再热蒸汽管和

9、集箱材料 图2 不同蒸汽参数的超临界锅炉的材料表5 超临界和超超临界煤粉炉采用的高温耐热材料的发展项目当前使用材料当前最新技术材料今后研发的新技术材料蒸汽参数23.5MPa/ 540/560300MPa/600 /620358MPa/700 /720水冷壁5Mo3/BS/Grade 243ASTM A213/T24 或T23(HCM2S)HCM12过热器和再热器T91;T23NF709/E1250/T91Ni基合金集箱和蒸汽管道P91/P22/P23A336/P92/P122/NF616/AC66/E1250Ni基合金图2、图3和表1为不同蒸汽参数的超临界锅炉的材料，由图2可见，对于蒸汽参数为

10、350bar和过热及再热蒸汽温度为700/720的超超临界机组，其过热器/再热器和主蒸汽/再热蒸汽管道和集箱就必须采用镍基合金材料。图3 表明，对于蒸汽温度为540的超临界锅炉，可以100%采用铁素体合金钢；对于蒸汽参数为600/620的超超临界锅炉，高温段要采用20%的奥氏体合金钢；对于蒸汽强度为700/720的超临界锅炉，除了24%的材料是奥氏体合金钢外，700温度段的镍基合金材料占整个锅炉材料的16%，而镍基合金材料要占整个700超超临界机组材料的29%。80%铁素体60%铁素体100%铁素体图3 不同蒸汽参数对锅炉材料的不同要求及高温材料所占的份额2 700 镍基合金材料的研发为了研发

11、蒸汽温度为700先进超超临界机组， 欧盟、美国、日本和中国先后开展了700镍基合金高温材料的研发。700等级材料的挑战在于：（1）迄今已开发出的铁素体和奥氏体高温材料未能满足在700的条件下蠕变强度的要求；（2）Ni-Co 基合金材料由于其很差的韧性、抗疲劳特性和可加工性，要研发其可用于700等级的大直径厚壁管道。因此首先要对已开发出的候选铁素体、奥氏体和镍基材料进行进一步的改进和试验。700超超临界火电机组对高温材料的基本要求是：（1）高温持久蠕变性能：（100MPa 700750/105h持久强度）（2）耐高温腐蚀性能：（105h金属截面损失小于1mm）（3）长期组织稳定性。（4）管内壁抗

12、蒸汽氧化；（5）良好的冷热加工工艺性能；（6）良好的焊接性能。（7）管外壁抗烟气腐蚀及抗飞灰冲蚀；（8）低成本。具体要求见表2：表2 对 700等级超超临界锅炉的材料要求材料性质材料要求和评估高温强度蠕变强度基础技术和焊接件的蠕变强度热疲劳材料性质蠕变疲劳在启动、稳定态运行和停机时管道热膨胀时管道蠕变疲劳的交互作用及其寿命的评估抗腐蚀烟气侧腐蚀过热器管子燃烧侧腐蚀蒸汽侧氧化蒸汽管子和管道内表面氧化皮的厚度和脱落特性焊接特性焊接时固化、液化和低延伸性的焊接断裂加工制造特性热弯管修理特性使用多年的管子的焊接特性检测和质量评估特性各种监测试验的适用性成本材料成本和附加的加工制造成本从已开发用于燃气轮

13、机和化工有业绩的奥氏体和Ni基材料中选取700超超临界候选材料包括有：（1）锅炉管道: HR6W、174、 Inconel 617、 Inconel 740、 Nimonic 263;（2）汽机锻件: Inconel 625、617(改进型TOSIX)、 Inconel 718、 Nimonic 263、 IN 706（改进为FENIX700）、LTES（3）汽机铸件: Inconel 625、 Inconel 617（4）汽机叶片棒材; Wasp-alloy，N105（5）螺栓: M252(USC141)、LTES其中最主要的700等级镍基候选材料的特点是：（1）Inconel 617合金：

14、是美国研制的镍基合金（0.08C-22Cr-12Co-9Mo-2Fe-1,OA1-0.4Ti-B). 主要是固溶强化和少量的Ni3(Al、Ti)相强化。其700的10万小时持久蠕变强度为120MPa。750的10万小时持久蠕变强度为90-100MPa。过去只有3万小时持久蠕变强度试验数据；（2）Inconel 740合金：是美国特殊金属公司研发的镍基合金（0.04C-24Cr-20Co-2Nb-6Ti-1.OAi-0.5Mo),时效强化型合金，主要依靠Ni3(Al/Ti) 相强化。其700 10 万小时持久蠕变强度为210MPa。其750时的持久强度为130MPa;（3）Inconel 625

15、合金：是美国研制的镍基合金（ 0.05C-21Cr-9.0Mo-3.3Nb-0.2Ti-0.2Al-5Fe),其性能接近Inconel 617合金；（4）Nimonic 263合金:是英国Nimonic公司研制的镍基合（ 0.06C-20Cr-20Co-6Mo-2Fe-2.2Ti-0.6Al).其70000 持久蠕变强度为150MPa。其750持久蠕变强度为115MPa,性能水平接近Inconel 740合金研发适合于70000等级先进超超临界机组的镍基合金的主要要求和挑战是：（1）如何采用最小的Cr含量解决材料的烟气侧腐蚀和蒸汽侧氧化的问题；（2）如果采用固溶强化的方法添加Mo,W, Co元

16、素以提高蠕变强度，要解决由于其它元素的加入，对于加工、制造、焊接性能的影响等问题；（3）如果采用第二相强化方法在材料中添加 Ti, Al, Nb元素以提高蠕变强度和承受热-机械交互作用的能力，同样要解决由于其它元素的加入，对于加工、制造、焊接性能的影响和承受热-机械交互作用的能力等问题；（4）材料的成本和经济性是其是否能够被市场接受的关键因素之一，因此，在保证其性能要求的前提下，为了降低成本，除了Ni 基材料，要尽量采用Fe 基材料。3 欧盟的AD700项目对700超超临界机组材料的开发欧盟的700超超临界发电技术的研发始于1998年，大致可以分为三个阶段。第一阶段为基础研究阶段，主要包括机组

17、概念设计、材料开发、材料性能测试、材料加工与检测技术等关键技术的研究。包括欧盟、各国政府、行业以及企业共同或独立支持了一批研究项目，这一系列项目包括AD700、COORETEC -TD1、MARCKO等。其中AD700历时11年，基本解决了材料研发和性能考核等关键技术。第二阶段为采用新材料的部件现场挂炉验证试验阶段，欧盟历来重视高温部件的现场验证研究，在700发电技术的研发过程中，已经建立了三个高温部件验证试验装置，其中包括建立在丹麦Esbjerg电厂的过热器试验装置、在德国Scholven 电厂F机组的COMTES700以及德国GKM的725试验装置GKM HWT 725 I。第三阶段是在第

18、二阶段的基础上，在2012年与2013年分别在德国和意大利开展GKM HWT II和ENCIO的部件验证试验装置上继续进行高温热部件验证试验；继而E.ON预计2018年以后在德国Wilhelmshafen电厂建造一台700C示范机组，容量为500MW示范工程，2020年投入运行。欧盟研究示范超超临界燃煤电站项目的蒸汽参数为：35.0 MPa/700/720 /（720 -两次再热），该超超临界燃煤电站的净效率为 50。欧盟AD700项目从1998年1月1日开始计划至2009年共11年完成。对第一阶段的基础研究，其资金来源为，欧盟资助40。参加AD700项目的欧盟伙伴共有40家欧盟的公司，分为锅

19、炉、汽轮机两个组，包括：ABB,GEC Alstom, Ansaldo, Siemens等欧盟最大的能源公司，项目协调单位为丹麦的Elsamprojekt公司。欧盟AD700材料试验计划（COORETEC工程）包括三个阶段，第一阶段（1998-2004）材料选择和研发(2000万欧元)， 其研发内容包括：（1）在700 蒸汽温度下管子材料向火侧的腐蚀和蒸汽侧的氧化特性；（2） 用于700 的过热器材料在冷变形后的特性；（3）镍基锻造的厚壁管材的强度和变形特性；（4）10%的铬钢和镍基合金之间的不同焊接条件；（5）运行在700 条件下锅炉部件寿命评估的断裂力学方法；（6）由镍基合金制造的厚壁部件

20、非破坏性试验的优化。第二阶段（2002-2006）为主要部件的制造(1570万欧元)；第三阶段（2005-2009）为试验部件实际挂炉运行试验(2320万欧元)，其试验部件包括：（1）锅炉：炉膛水冷壁、过热器、集箱和蒸汽管道等厚壁管道焊接部件；（2）汽轮机：进汽阀、锻造转子、焊接转子、导叶、动叶、螺栓、焊接部件。AD700 研发阶段总经费近6000万欧元。欧盟的先进AD700超超临界开发项目的材料研发目标是：电站锅炉和蒸汽轮机，蠕变极限是重要的设计依据。大多规定蠕变速率为10-5（/小时）相当于10万小时的蠕变变形变量为1。制造高温火电设备构件的金属材料通常要进行数万至10万小时的蠕变试验。

21、对于700下材料的蠕变断裂应力的目标：（1）铁素体管道材料为：100MPa/650oC/105h（2）奥氏体管子材料为：100MPa/700 oC /105h（3）镍基管道和管子材料为：100MPa/750 oC /105h其实际试验的镍基材料和条件是：（1）Sanicro 25-96MPa/700 oC （2）Inconel 740-107MPa/750 oC （3）Nimonic 263-89MPa/750 oC 研发和试验包括锅炉炉膛管屏、过热器和厚壁断面部件和蒸汽管道。对于过热器管子， 采用的是改进的奥氏体钢和镍基管材，主要的试验性能为：（1）抗氧化性能、抗高温腐蚀性能：腐蚀厚度目标为

22、 1 mm/105 h、（2）机械性能： 蠕变强度目标： 100 MPa/700oC (奥氏体钢)和750/105 h (Ni 基管材）；（3）可加工造性能：生产加工、弯管、焊接性能。对于厚壁断面部件和蒸汽管道材料，主要是改进的奥氏体钢和镍基管材，主要试验的性能为：（1）抗氧化性能；（2）机械性能：蠕变强度目标：100 MPa/650oC (铁素体钢)；100MPa/750oC /105 h (Ni基)；（3）可制造性能 生产加工、弯管、焊接。 由于候选镍基合金中Nimonic 263具有最好的蠕变强度，但它是一种沉淀硬化材料，加工制造非常困难， 因此决定选用蠕变强度较低但易于加工的Incon

23、el 617。各项研发和试验包括各种材料的化学成分、热处理技术、融化和加工、焊接和制造技术。在材料研发试验的基础上，进行了700oC高温部件现场挂炉试验计划COMTES700。COMTES700计划是在德国E.ON电力公司Scholven 电厂F机组上建立高温部件现场试验装置，主要验证水冷壁、过热器管、高压联箱、带高压旁路的蒸汽管道，与此同时还有一个COMTES700 蒸汽轮机阀门的项目，主要验证高温阀门，两个项目最终同时在COMTES700试验装置上进行，试验装置的蒸汽流量12kg/s,出口蒸汽温度为700。COMTES700的组织方是德国大机组协会VGB，试验资金来自欧盟的公共基金和参与该

24、项目的制造厂、发电公司和评估机构，还包括承担试验的德国的E.ON电力公司等，但资金主要来自煤钢研究基金与Emax集团。COMTES700原计划是在示范电厂建设前的最后一次试验，该现场试验的主要目的是：。（1）试验部件的制造、弯管、焊接性能要能够满足在真实电厂中运行的要求；（2）所有的试验部件， 特别是镍基合金的管子、管道和阀门的运行 特性；（3）试验部件在烟气侧的腐蚀特性和蒸汽侧的氧化特性，以及吹灰对管子的磨损特性；（4）在线监测和在役检验技术。锅炉试验部件为：（1）蒸发受热面管屏：（2）过热器；（3）主蒸汽管道；（4）高压集箱。现场锅炉试验还包括侧换热器旁路、安全阀和汽轮机入口阀门。现场运行

25、试验从2005年8月开始，要求的总挂炉运行小时数数至少达2万小时以上，2009年11月完成了三年挂炉试验的全部评估。图4 COMTES700在Scholven电厂F机组锅炉中的试验部件位置进行部件现场试验的电厂德国 Scholven F, E ON 电厂的试验锅炉的净功率为676MWe, 试验锅炉的过热蒸汽参数为22MPa/540, 蒸汽流量为625kg/s。试验锅炉再热蒸汽参数为4.4MPa/540, 再热蒸汽流量为568kg/s。图4 为COMTES700在Scholven电厂F机组锅炉中的试验部件位置；图5 COMTES700现场挂炉试验部件：蒸汽管道、水冷壁、集箱和过热器的安装照片；图

26、6为 COMTES700现场挂炉试验装置的流程示意图与部件各段所采用的材料。现场锅炉试验开始于2005年8月，至2009年8月，试验部件现场挂炉试验实际运行时间为22,400小时， 其中蒸汽温度在高于680的高温段的运行时间为12,850小时。COMTES700锅炉部件现场试验的结果是：（1）炉膛管屏材料，需要进一步优化；（2）过热器材料：新的超级奥氏体钢（super austenite Sanicro 25 ）和镍基管材（ Inconel alloy 740）已达到目标要求，正在取得质量证书过程中；（3）厚壁部件和蒸汽管道：只有镍基管材A617的长期蠕变断裂强度试验数据满足了的要求， 但在三

27、年挂炉运行试验中暴露出A 617减温器管道的焊缝出现较大的裂纹（图7），裂纹发生在焊缝及其周边地区，它主要是由于焊接的附加应力和残余应力而引起。对于焊接残余应力引起的开裂，关键在于焊接的热处理问题。为了改善A617材料性能，歐盟研发了A617B新材料，即在A617中加入20-50PPM的硼元素，硼能增加抗蠕变强度及提高热塑性，但随着硼组份的增加，其可焊性会变差。这些均需另外的长期现场试验来验证。A617的管道未能通过现场挂炉试验的结果必将导致示范电厂工程的进度推迟。图5 COMTES700现场挂炉试验部件：蒸汽管道、水冷壁、集箱和过热器的安装照片图6 COMTES700现场挂炉试验装置的流程示

28、意图与部件各段所采用的材料图7 A617减温器管道附近焊接接头的裂纹COMTES700蒸汽轮机部件现场试验的结果是：（1）适合于AD700的汽轮机合金材料和有关产品已通过鉴定可满足以下要求：1）蒸汽轮机的设计要求：2）汽轮机的机械和物理特性要求；3）汽轮机部件的制造、加工和检验的要求。（2）汽轮机转子锻件材料：Inconel 617, 625（3）汽轮机汽缸和阀门室铸件材料：Inconel 617, 625（4）叶片、螺栓和阀门内件材料：Waspaloy 105.由于A617的管道未能通过现场挂炉试验， 欧盟制订了新的现场试验计划，决定对新的热处理程序进行新的产品部件挂炉试验以进行验证。新的现

29、场试验计划在今后几年内同时分别在德国（GKM HWT II）和意大利（ ENCI）和进行。该计划于2011年开始，2014年结束。在德国GKM电厂进行的“725 HWT GKM II”计划是准备建立另一个试验装置，项目由BMWI / Cooretec以及其他参与方提供资金，主要试验材料包括617B, 263, 740，部件的壁厚将达到50mm。试验运行的模式是将通过快速启停的方式实现变负荷运行。该试验装置的特点在于有高压旁路阀、263合金弯管、高温阀等。试验装置的设计和制造由BHR和Alstom负责。“725 HWT GKM II”项目的研究目的包括：（1）静态载荷对最大达50mm厚的管道部件

30、在725蒸汽中的母材和焊接接头的影响； （2）A263合金控制阀的开发设计、垫圈优化、涂层和材料匹配 （3）厚壁部件监测（4）运行条件下奥氏体厚壁部件的设计计算优化（5）焊接条件以及热处理对裂纹敏感性的影响以及内应力的确定（6）裂纹产生和扩展的机理（7）不同热处理A617和A263的检验在意大利Enel电力公司的Fusina电厂进行的“ENCIO”现场试验计划，其试验的材料包括617B、617B C、625、263、HIP 625、HIP 617B、C (新材料以及COMTES700中运行过的材料)。其试验部件壁厚的最大直径为150 mm，运行条件为静态载荷，试验部件有日立欧洲公司负责制造。该

31、计划的进度为，在完成所有准备工作后， 具体的现场试验将在2013至2017年进行。“ENCIO”现场试验计划的目标是：（1）在运行条件下（运行20000小时），为厚壁组件（壁厚超过50mm）的设计和选材提供校样标准；（2）测试改进过的镍基合金（如：熔化过程、加工和焊接等），来研发有前景的新的制造工艺；（3）建立使用寿命周期内的监测概念；（4）开发在700C的技术条件下市场可接受的新材料和制造工艺。此外，欧盟还有一个NextGenPower计划， 该计划由欧盟的FP7框架支持，经费1030万欧元，其中欧盟出资600万欧元，于2010年启动，项目周期为48个月。 其目标是：（1）选用沉淀硬化镍合金

32、使燃煤锅炉具备允许范围内的抗蠕变和抗疲劳能力；（2）选用低成本的管子向火侧涂层和性价比高的合金管，使燃煤锅炉能够抵抗超超临界可设想到的蒸汽温度和不同条件下采用生物质混烧的引起的腐蚀；（3）选用低成本的管子蒸汽侧涂层/保护层来延长锅炉管子和蒸汽管道的使用寿命，选用便宜的替代材料而又不损失组件的寿命及可靠性；（4）选用镍合金使锅炉和汽轮机间的连通蒸汽管道能抵抗USC中设想到的高温,研发比镍合金更薄、更方便应用的替代材料；（5）超超临界蒸汽轮机用的镍合金的铸造、锻造和焊接。欧盟的NextGenPower计划的项目结构包括：（1）子项目1 锅炉研究使用合适的涂层来克服高温部分的炉侧腐蚀及蒸汽侧的氧化。

33、验证在用生物质与煤混烧条下，及在USC中能够设想到蒸汽温度的和现有蒸汽条件下运行的锅炉，其主要的蒸汽管路的材料和涂层的优缺点。（2）子项目2 蒸汽轮机：选择合适的合金以使高中压蒸汽轮机能在高蒸汽温度下（ 720C ）平稳运行（外壳、转子、叶片等）。 （3）子项目3 整合：为整体项目提供一个测试和说明的框架。（4）子项目4 传播交流：确保一般性结果以及专题研究成果的有效推广。4 美国先进超超临界技术的研发计划（A-USC）对材料的开发美国先进超超临界技术的目标是开发出760oC至870oC等级的超超临界火电机组的材料，为了决定锅炉集箱炉膛、过热/再热器管子和蒸汽管道的尺寸，选择A-USC的电厂容

34、量为750MWe,蒸汽参数为35Mpa/760oC/760oC。美国的先进超超临界计划A-USC与欧盟AD700不同点主要是：（1）开发出更高蒸汽参数机组的材料： 从760oC至870oC；（2）美国先进超超临界材料开发的目的是用于燃烧美国煤的先进超超临界电厂， 而美国煤与欧洲煤的主要不同点在于高硫和高水分，因此，材料开发除在蠕变强度上满足要求，还要突出防腐蚀的性能；（3）先进超超临界材料开发的最终目标是被美国机械工程学会(ASME)承认成为锅炉的材料标准。美国的锅炉材料开发集中在下列部件材料：集箱和管道；过热器/再热器；水冷壁管屏；对A-USC材料的总要求是在100MPa（14,500 ps

35、i ）的压力下通过100,000小时的蠕变强度试验。对候选材料的七个方面进行评估（1）机械性质；（2）蒸汽侧氧化特性；（3）燃烧侧腐蚀特性；（4）焊接特性；（5）制造加工特性；（6）喷涂抗磨蚀特性和（7）对当前设计标准的改变。他们按照蠕变强度的要求选择了七种候选材料：（1）一种铁素体钢 (SAVE12)用于炉膛管子和管道；（2）二种奥氏体钢(HR6W 和 Super 304H) 用于过热器/再热器管子；（3）三种镍基合金 (Haynes 230, CCA 617, 和 Inconel 740) 用于管子和蒸汽管道；（4）最后又增加了镍基合金Haynes 282（未列入标准）。试验结果表明，在7

36、60oC下蠕变强度最好的次序是：Inconel 740 （未列入标准） ； Haynes 230 、CCA 617和Haynes 282。此外，还按照蒸汽侧氧化的特性对材料进行了选择， 发现二种铁素体钢 (MARB2 和 VM12)具有最佳的抗氧化特性；所有铬含量为 2% 至9%的材料均严重氧化；含有钴（Co)的奥氏体钢和镍基合金具有最佳的抗氧化特性，它们会生成一层致密的铬氧化层，从而大大降低了氧化速率。 在800oC下对20种不同的铁素体钢、奥氏体钢和镍基合金钢进行了1000小时的蒸汽侧氧化试验, 试验发现，（1）一旦试验合金材料的铬含量达到10%，其蒸汽侧氧化特性就与铬的含量无关；（2）所

37、有合金材料管子蒸汽侧的氧化情况在800oC时要比650oC时严重得多；（3）铁素体钢VM12,奥氏体钢和镍基合金的蒸汽侧氧化率均很低， 因此不需运行寿命限制，但对其氧化皮脱落的特性还需进一步了解，才能最后确定是否影响使用寿命。在700oC以上的蒸汽温度下，材料不仅要有更高的蠕变强度，还需有更好的燃烧侧抗氧化和抗侵蚀的能力，美国对烟气侧抗腐蚀的性能进行了实验室和现场试验，现场试验是在一段过热器回路试验段上焊接了六种不同合金材料的管子，对试验段管子暴露在燃烧条件下的腐蚀和焊接特性进行试验（图8）。实验室试验结果表明， 燃烧侧腐蚀主要与铬的含量水平有关。当铬含量增加至22% 至 27% 时，腐蚀快速

38、下降至平稳；含有铁的镍基合金其抗腐蚀能力比不含铁的好；合金中钼含量超过1% 时，在所有试验条件下均表现为较差的抗腐蚀特性。试验研究的结果是：；（1）对于用含有18%铬的奥氏体钢制成的过热器管子在烟气侧腐蚀试验发现，当烟气温度为1000 至 1200oC，而材料的温度超过650 oC 达到700oC 时，管子的腐蚀率超过了0,3 至 0,4 mm/10,000 h；（2）为了达到200,000 小时的运行寿命，在有合适的管壁厚度时， 0,3 to 0,4 mm/10,000 h的腐蚀率是最大允许的腐蚀率极限；（3）对于700oC 的材料，VM 12 和X10CrWMoVNb9-2 (T 92)

39、虽然可以考虑，但其相对较低的铬含量可能会导致蒸汽侧的氧化。因此， 要考虑采用镍基材料如617合金材料；（4）对于超过760oC的更高温度范围，如果对腐蚀率的要求和上面一样为 0,3 至 0,4 mm/10,000 h，则要采用新材料。图8美国的燃烧侧过热器管段的腐蚀和和焊接试验回路，试验段焊接了六种不同的合金钢管子和不同的防腐涂层美国的锅炉材料开发还对材料的焊接性能进行了试验和研发，对六种合金管材和板材研究了其焊接特性（图9），开发了这些不同合金材料之间和产品形式的焊接程序。 研究结论是，薄壁件的焊接对所有的材料均成功，但发现某些焊接过程对于厚壁断面的镍基材料有限制。经过5年多的研发，完成了对

40、3英寸（75mm）厚镍基材料Inconel740的焊接，并开发成功对淬硬合金的焊接和对异金属焊丝材料的开发。图9美国对镍基合金CCA617集箱和不同合金管子的焊接研究虽然美国对先进超超临界技术的新材料已经进行了许多研究，但现在美国国内没有任何投运的超过600的超超临界机组，唯一的AEP Turk电厂 25MPa/601 /610 超超临界机组还正在建造，另外，用于锅炉大型部件的供应基地尚未建立，镍基合金Inconel 740 和 Haynes 282尚未得到ASME 批准。供应汽轮机的合金材料及供应大型锻铸件的基地还未确定，合金材料运行寿命还有待进一步试验。美国的所有关键的部件均未进行现场的挂

41、炉运行试验。虽然美国能源部（DOE）曾建议建造美国的A-USC -35PMa/760/760示范电厂，但美国的现行政策是禁止建造燃煤电厂， 因此现在美国还没有任何具体的示范厂的计划，估计此一示范厂计划必将推迟，但材料的研发计划还将会继续进行。5 日本A-USC（700超超临界）技术的9年研发计划日本A-USC（700超超临界）计划是日本政府2008年提出的“COOL Earth Program”的一部分，其计划时间为9年，从2008至2016年。该计划由日本政府经济贸易和工业部（ METI）主持，参加成员有：三菱、石川岛播磨、日立Babck 、日立公司、住友金属、富士电气等公司。日本AUSC的

42、发展技术路线是（1）总的参数目标为700/720、700/750 以及将来800，采用二次再热方案；（2）改造现有大量超临界机组，提出25MPa不变，仅仅采取700度的一次再热USC+A-USC方案（3）日本700超超临界机组的计划目标：发电效率：48%; 净效率： 46%（4）日本A-USC示范厂工程， 包括容量、参数、地点和时间表现在还未最后确定计划分工：（1）阀门日立、三菱、东芝和福士；（2) 锅炉Babck、IHI、三菱、国家材料 研究中心等；（3）汽轮机日立、三菱、东芝计划进度：（1）A-USC示范厂的概念设计：2008-201（2）锅炉材料研发： 1）大型厚壁管件： 2008-20

43、12 2）长期蠕变强度试验： 2008-2016 3）高等级材料的制造工艺（焊接、锻铸和弯管）:2008-2012 4）高温阀门: 2008-2012（3）蒸汽轮机材料的研发： 1）材料、转子等: 2008-2012 2）高温汽机材料蠕变断裂试验:2008- 2016（4）实际锅炉的部件挂炉试验: 2010-2016日本A-USC700超超临界材料开发的初步结论是：（1）日本正在研究的700新材料主要是Fe-Ni 基合金和Ni-Co 基合金材料，候选材料还包括：Inconel 617； HR35,；合金617,；CCA617；Haynes230； Alloy740；Nimonic263和HR6

44、W等；（2）日本A-USC700超超临界计划开发的材料的初步试验结果：1） Fe-Ni 基合金： HR6W合金具良好的可锻性、但其蠕变强度还需改进，可考虑用做大直径厚壁管道如主蒸汽管和热再热蒸汽管道的材料(图10)；图10日本用HR6W材料挤压制造大直径厚壁蒸汽管道（直径457mm, 壁厚60mm, 管长3.5m)2）Ni-Co 基合金：合金617 和263具有非常高的蠕变强度，可用于在750-800 的条件；是过热器和再热器的良好候选材料。 HR6W虽然其蠕变强度在100MPa和700在 10万小时试验结果刚刚达标，但其可锻性、韧性和热疲劳特性均非常好，可考虑用于主蒸汽管道（图10）。建议改

45、善其蠕变强度的研发还要进行。 6 高温金属材料用于700 等级超超临界机组的瓶颈和制约因素将700等级超超临界机组的供电效率提高到50%以上的有两个关键因素，一是尽可能改善热力学效率，如提高给水温度和采用双再热系统等，二是开发高温耐热合金材料，将过热蒸汽和再热蒸汽温度提高到700/720或以上。实现700蒸汽参数的超超临界机组，高温耐热合金是基础。传统的超临界540等级的合金钢，每吨价格约为4万元人民币，目前以大量采用的超超临界600等级的合金钢，价格已达12-15万/吨，而下一代700等级的超级镍基合金钢，估计价格可高达78万/吨（表3）。以目前600参数等级的一次再热21000MW超超临界

46、机组为例，总投资约80亿元人民币，其中从锅炉至汽轮机单根管子长度约为160米的主蒸汽管和再热蒸汽管道的价格约3亿元人民币。若将参数提高致700等级，则这些高温蒸汽管道的总价格可能上升至25亿元人民币以上，加之锅炉及汽轮机的造价亦将相应上升，仅以5-6%的相对效率的提高，其代价太大，必然令投资者望而却步而无法为市场接受。因此，进一步提高蒸汽参数和采用二次再热来进一步发电效率的主要问题是用造价极高的高温耐热合金制成的主蒸汽和再热蒸汽管道系统距离太长，成本太高，造成的投入产出比无法接受的大瓶颈。其解决方案就是如何最大限度地缩短锅炉过热/再热器出口至汽轮机的距离，大大降低蒸汽管道高温材料的成本，以及开

47、发出能够满足700/720蒸汽参数要求的低成本高温耐热合金材料。表3 不同蒸汽温度的蒸汽管道材料价格比较蒸汽温度主蒸汽和再热蒸汽管道的价格价格比较5665万元人民币/吨 (TP37H)基数60015万元人民币/吨 (HR3C)370078万元/吨 (Inconel 617)167 结束语提高蒸汽参数是提高火电厂效率最主要的技术方向。发展700等级材料将超超临界机组的供电效率提高到50%以上，是目前全世界正在努力研发的最先进的燃煤火电技术。发展700等级的超超临界机组，关键是开发700oC等级的高温材料至今高温镍基合金材料已取得突破性进展，对于锅炉小口径和薄壁管，Inconel 617等材料已经

48、通过了试验，但其中采用A 617材料制造的大口径厚壁管在现场试验时发现了焊缝裂纹技术问题，因此，700等级的高温材料还没有完全解决，仍需进一步研发。要在技术上和成本上完全解决700等级的高温材料，实现700等级的超超临界机组的运行，即使在欧盟，可能还再需要10年的时间。中国依托能源、电力、设备制造、冶金行业和科研院所等，正式组建了“700 燃煤发电技术创新联盟”， 标志着中国加入了世界开发700 超超临界火电技术的行列，这有利于促进中国自主发展最先进的超超临界技术。有了欧盟和其它国家开发700 超超临界火电技术的经验，如果中国的700 燃煤发电技术联盟能够成为国家主导的重大研发项目，做到国内外紧密合作，资金落实、参与单位的任务落实、研发计划落实、分工落实、进度落实、项目管理落实，我们完全有可能甚至于领先欧盟首先进行7