超超临界机组材料国内研制及其问题思考

1、超超临界机组新型钢国产化研讨会超超临界机组新型钢国产化研讨会超超临界机组材料超超临界机组材料国内研制及其问题思考国内研制及其问题思考上海发电设备成套设计研究院上海发电设备成套设计研究院 林富生林富生2009.04.012009.04.01于扬州于扬州超超临界机组材料超超临界机组材料国内研制及其问题思考国内研制及其问题思考一、前言一、前言二、超超临界机组材料国内研制二、超超临界机组材料国内研制三、材料在长期服役过程中的组织三、材料在长期服役过程中的组织 与性能变化与性能变化四、问题思考四、问题思考一、一、 前言前言节能、减排、降本，要求火电机组提高效率，节能、减排、降本，要求火电机组提高效率，促

2、进了超临界、超超临界机组的发展；促进了超临界、超超临界机组的发展；“十五十五”期间，我国经济快速发展和人民生期间，我国经济快速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求快速增长，活水平的不断提高，对电力的需求快速增长，以至于造成严重缺电，这直接推动了超临界、以至于造成严重缺电，这直接推动了超临界、超超临界机组的非常规快速发展；超超临界机组的非常规快速发展；由于超临界、超超临界机组的快速发展，关由于超临界、超超临界机组的快速发展，关键材料主要靠进口且需求量大，国外供货商键材料主要靠进口且需求量大，国外供货商延长供货周期，并趁机大幅度提高价格，造延长供货周期，并趁机大幅度提高价格，造成机组制造成本

3、大幅度提高；成机组制造成本大幅度提高；一、一、 前言前言在这样的背景下，我国终于有了比较统一的在这样的背景下，我国终于有了比较统一的认识：超超临界机组关键材料必须国产化；认识：超超临界机组关键材料必须国产化；机组参数的进一步提高，受到材料的制约；机组参数的进一步提高，受到材料的制约；T/P122T/P122、T/P92T/P92许用应力的降低，使越来越许用应力的降低，使越来越多的人认识到：多的人认识到： 材料是发展超超临界机组的关键材料是发展超超临界机组的关键二、二、超超临界机组材料国内研制超超临界机组材料国内研制（一）政府立项研制（一）政府立项研制 1.“1.“十五十五”项目：超临界机组材料

4、和铸锻件国产项目：超临界机组材料和铸锻件国产化化 实现实现T91T91钢管国产完善化钢管国产完善化 实现叶片螺栓材料实现叶片螺栓材料1Cr11MoNiW1VNbN1Cr11MoNiW1VNbN钢的国产化钢的国产化 实现实现ZG1Cr10MoVNbNZG1Cr10MoVNbN钢汽轮机内缸国产化钢汽轮机内缸国产化 国产国产P91P91钢管试制钢管试制 低压转子超纯材料研制低压转子超纯材料研制 高（中）压转子材料研究高（中）压转子材料研究 Super304H Super304H钢国产化研究钢国产化研究二、二、超超临界机组材料国内研制超超临界机组材料国内研制（一）政府立项研制（一）政府立项研制 2.“

5、863”2.“863”计划：超超临界机组材料研究计划：超超临界机组材料研究 叶片材料叶片材料12CrMoVWCoNbBN12CrMoVWCoNbBN钢国产化研究钢国产化研究 低压超纯转子材料研究低压超纯转子材料研究 1212CrCr高（中）压转子材料研究高（中）压转子材料研究 Super304HSuper304H钢国产化研究钢国产化研究 等等等等二、二、超超临界机组材料国内研制超超临界机组材料国内研制（一）政府立项研制（一）政府立项研制 3.3.上海市重大项目上海市重大项目“电站装备用特种材料研究与开电站装备用特种材料研究与开发发” 试制成功试制成功1Cr10Mo1W1NiVNbN1Cr10M

6、o1W1NiVNbN钢电渣重熔转子钢电渣重熔转子 实现实现ZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbN钢中压内缸国产化钢中压内缸国产化 实现实现TP347HTP347H及及TP347HFGTP347HFG钢管国产化钢管国产化 实现实现1Cr10NiMoW2VNbN1Cr10NiMoW2VNbN叶片螺栓钢国产化叶片螺栓钢国产化 实现发电机用实现发电机用1Cr18Mn12Ni2N钢穿心螺杆国产化钢穿心螺杆国产化 （ 二）企业自发研制二）企业自发研制下列部件材料具备国产化能力下列部件材料具备国产化能力部件部件材材 料料末级过热器、再热器末级过热器、再热器T91T91，T92T92，TP347HFGTP

7、347HFGSuper304H, Super304H, 集箱、蒸汽管道集箱、蒸汽管道P91P91，P92P92高中压转子高中压转子1Cr10Mo1W1NiVNbN 1Cr10Mo1W1NiVNbN 1Cr10Mo1VNbN1Cr10Mo1VNbN高中压内缸高中压内缸( (铸件铸件) )ZG1Cr10MoVNbN ZG1Cr10MoVNbN ZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbNZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbN高温段叶片高温段叶片1Cr11MoNiW1VNbN 1Cr11MoNiW1VNbN 1Cr10NiMoW2VNbN NiCr20TiAl 1Cr10NiMoW2VNbN Ni

8、Cr20TiAl 汽缸螺栓汽缸螺栓1Cr10NiMoW2VNbN, 1Cr10NiMoW2VNbN, 低压转子低压转子3.5NiCrMoV, 3.5NiCrMoV, 超纯超纯3.5NiCrMoV 3.5NiCrMoV 三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化 人们通过热处理等工艺手段获得材料良好人们通过热处理等工艺手段获得材料良好的综合力学性能，满足使用要求。而处于的综合力学性能，满足使用要求。而处于这种状态材料的组织是非平衡组织。这种状态材料的组织是非平衡组织。 由热力学可知，非平衡组织始终存在向平由热力学可知，非平衡组织始终存在向平衡组织转变的趋势。

9、一旦驱动力足够大，衡组织转变的趋势。一旦驱动力足够大，这种转变就会进行。温度越高，这种驱动这种转变就会进行。温度越高，这种驱动力越大，这种转变越容易进行。力越大，这种转变越容易进行。三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化 材料在高温下长期服役，其组织是在慢慢向平材料在高温下长期服役，其组织是在慢慢向平衡组织演变的，而组织的变化必然导致材料性衡组织演变的，而组织的变化必然导致材料性能的变化。这就是为什么材料在高温下长期服能的变化。这就是为什么材料在高温下长期服役过程中性能恶化的原因。役过程中性能恶化的原因。 材料工作者的根本任务是运用各种强化机制，材料工

10、作者的根本任务是运用各种强化机制，研制出满足使用要求的材料。设法增加材料在研制出满足使用要求的材料。设法增加材料在使用过程中向平衡组织转变的阻力，延长向平使用过程中向平衡组织转变的阻力，延长向平衡组织转变的过程，保证材料在设计寿命内，衡组织转变的过程，保证材料在设计寿命内，具有足够的性能满足使用要求。具有足够的性能满足使用要求。 三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化位错密度降低、亚晶长大、基体中固溶元素位错密度降低、亚晶长大、基体中固溶元素含量下降、第二相粒子粗化、细小颗粒数量含量下降、第二相粒子粗化、细小颗粒数量减少，都导致抗蠕变性能下降；减少，都

11、导致抗蠕变性能下降；MXMX和和M23C6M23C6是是9 91212CrCr钢的主要强化相；钢的主要强化相；LavesLaves相析出初期起强化作用，但尺寸不稳定，相析出初期起强化作用，但尺寸不稳定，LavesLaves相的粗化降低蠕变强度；相的粗化降低蠕变强度；三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化Z Z相的析出伴随相的析出伴随MXMX相的溶解，且长大倾向大，相的溶解，且长大倾向大，它的析出与长大明显降低蠕变强度；它的析出与长大明显降低蠕变强度；在在9 91212CrCr钢中加入适量的钢中加入适量的B B可强化晶界，可强化晶界，稳定稳定M23C6M

12、23C6，对长期组织的稳定有明显的作，对长期组织的稳定有明显的作用。用。2.3 高温蒸汽氧化高温蒸汽氧化 30Cr1Mo1V30Cr1Mo1V钢转子在蠕变过程中形成的空洞钢转子在蠕变过程中形成的空洞TP304HTP304H时效后析出的时效后析出的M M2323C C6 6与与相相TP304HTP304H时效后析出的时效后析出的相相国产T92经649持久后，92MPa5165h 国产T92经649持久后，85MPa12430h 国产ZG1Cr10MoVNbN铸钢 566下12439.9h观察到的Laves相 TP347HTP347H晶界上在晶界上在M M2323C C6 6与与相处形成的蠕变空洞

13、与裂纹相处形成的蠕变空洞与裂纹四、问题思考四、问题思考基础研究薄弱基础研究薄弱例如：例如： 对耐热钢的强化机理，合金元素的作用，冶对耐热钢的强化机理，合金元素的作用，冶炼、热加工和热处理工艺对组织性能的影响炼、热加工和热处理工艺对组织性能的影响等基础性研究不够，试制带有一定的盲目性。等基础性研究不够，试制带有一定的盲目性。 上世纪上世纪9090年代初，国内好几家厂试制年代初，国内好几家厂试制T91T91钢管，虽然成分和室温性能与住友实物相近，钢管，虽然成分和室温性能与住友实物相近，但持久性能，特别是持久塑性明显比住友钢但持久性能，特别是持久塑性明显比住友钢管差，时效后冲击值的降低幅度明显大于住

14、管差，时效后冲击值的降低幅度明显大于住友钢管。友钢管。 住友铁素体与碳化物分布形貌国产呈链状析出的碳化物四、问题思考四、问题思考2. 2. 缺乏规划与研究的连续性缺乏规划与研究的连续性 “ “六五六五”期间国内试制了期间国内试制了TP304HTP304H、TP347HTP347H钢管，并进行了性能研究。课题钢管，并进行了性能研究。课题结束后，国产化的工作也停止了。结束后，国产化的工作也停止了。 “ “十五十五”的课题也面临这样的问题。的课题也面临这样的问题。四、问题思考四、问题思考3. 3. 长时性能试验不够规范长时性能试验不够规范 高温长时性能试验不规范主要表现在：高温长时性能试验不规范主要

15、表现在： 数据不足且不完整；单点试验时间数据不足且不完整；单点试验时间短；试验的炉批次不够等。短；试验的炉批次不够等。四、问题思考四、问题思考4. 4. 建立以国家为主导，产学研相结合的建立以国家为主导，产学研相结合的发电设备材料研制体系，以体制机制发电设备材料研制体系，以体制机制保证长期研发经费的落实、促进产学保证长期研发经费的落实、促进产学研的长期合作。研的长期合作。 发电设备材料从开发、研制到正式使用，发电设备材料从开发、研制到正式使用，一般需要一般需要10102020年的时间年的时间, , 必须进行长时必须进行长时的高温性能试验，研制周期长、耗资大。的高温性能试验，研制周期长、耗资大。

16、纯市场行为是很难长期坚持的。纯市场行为是很难长期坚持的。四、问题思考四、问题思考5. 5. 形成我国自己的超超临界机组用材体系形成我国自己的超超临界机组用材体系 发电设备材料研制周期长，试验研究费用高，发电设备材料研制周期长，试验研究费用高，不能对各厂使用的不同体系的各种材料都进行不能对各厂使用的不同体系的各种材料都进行国产化研制和试验研究。对用途相同、成分相国产化研制和试验研究。对用途相同、成分相近的钢种进行优选，形成我国自己的用钢系列近的钢种进行优选，形成我国自己的用钢系列是十分必要的。设备制造厂之间的市场竞争不是十分必要的。设备制造厂之间的市场竞争不要放在材料上。要放在材料上。四、问题思考四、问题思考6. 6. 对优选的关键材料，集中资源，分工合作，对优选的关键材料，集中资源，分工合作，成果共享，尽快实现国产化。成果共享，尽快实现国产化。 产学研之间、冶金企业之间、重型厂之间应分工产学研之间、冶金企业之间、重型厂之间应分工合作，联合攻关，成果共享，降低试制成本，实合作，联合攻关，成果共享，降低试制成本，实现互赢。在试制出合格产品的层面上