T91锅炉管技术开发-刘正东

超超临界火电机组用T91钢管及锅炉钢技术刘正东钢铁研究总院结构材料研究所2010年3月16日山东莱芜钢铁研究总院CISRI

CISRI目录发展超超临界火电机组的战略意义超超临界火电锅炉钢管需求T91锅炉钢管研制锅炉钢研发理论的发展天津钢管厂T91钢实践连铸T91钢管工业试制-兴澄特钢钢铁研究总院耐热钢专业设备发展超超临界火电机组的战略意义浙江玉环电厂-中国第一个超超临界火电机组已于2006年并网年份容量（亿千瓦）火电（%）水电（%）核电（%）新能源（%）20003.1972.124.870.6620054.7074.8023.201.900.1420066.2277.8220.071.200.1020077.132977.7320087.9253075.8721.641.151.12202013.4065.023.04.0中国煤产量及火电用煤情况（亿吨）2002200320042007年煤产量12.516.617.525.2我国煤储量6565火电用煤7.08.59.3经济开采量618电煤比重56%51%53%60%中国电源的结构性问题国务院常务会议：国家能源战略决策“优先开发水电，积极发展核电，优化发展火电”火电机组参数与热效率中国火电机组蒸汽参数的演变中国火电机组蒸汽参数的演变中国火电机组煤耗和热效率中国机组发达国家USC机组火电机组平均煤耗(g/kWh)~381300~310火电机组平均热效率（%）~30>40每年多消耗近3亿吨煤增加成本消耗能源运输压力严重污染环境节能减排最重要的措施超超临界机组的战略意义超超临界火电锅炉钢管需求浙江玉环电厂-中国第一个超超临界火电机组已于2006年并网火电机组生产示意图

CO2排放中国高压锅炉管的供需情况年份产量进口量出口量净进口量表观消费量200193600714241079160633154233200211772011474829921117562294762003292305156439324215319744550220045791082979866474291512870620200576605530069924442276257104231220068590822508304784420298610620682007892118165155130114350419271592008200920102011单位：吨锅炉钢管选材锅炉钢管选材序号机组参数主蒸汽管道再热管道热段再热管道冷段主给水管道MWT(℃)P(MPa)120054013.710CrMo910/P22Φ355.5*5010CrMo910/P22Φ508*16～17.5ST45.8/ⅢSA106CΦ558.8*14.2ST45.8/ⅢΦ355.6*36～40230054018.2P22ID368.3*83.1～95P91Φ448.3*40P22ID635*31～33SA106BΦ802*21ST45.8Φ406.4*55360054018.2P22ID457*103～113P91Φ666.6*63.2P22ID870*43A672B70C132Φ1066.8*20.6SA106BΦ350*51.5460056624.2P91ID419.1*78,ID298.5*58.5P22ID654*136.5P91ID660.4*25.4,914.4*34A672B70C132Φ711.2*33Φ1016*25.4WB36Φ559*54Φ355.6*40560060025P92ID292*71ID406*98P92ID883*41ID629*29A691Gr21/4C122Φ1016*31.75Φ711*22.23WB36Φ355.6*40Φ508*556100060025P92ID38.1*78,ID254*54P92ID265*54.7P91ID749.3*44.45ID20.7*32P92ID510*21.3ID720*29.3P91ID720*38.8A672B70C132Φ1219.2*39Φ863.6*28WB36Φ660*67.5Φ457*60百万千瓦USC锅炉钢管品种分布锅炉钢管需求规格Φ31以下1.5%Φ31～146*3～2065%Φ159～245*10～605%Φ273～711*20～13020%Φ711～1066*20～1308.5%火力发电设备用钢管的平均定额约为100t/万KW(锅炉90t/万KW，电厂及四大管道10t/万KW)，合金比为60%～70%.其中:2010年五大发电集团目标T91锅炉钢管研制浙江玉环电厂-中国第一个超超临界火电机组已于2006年并网在工程热力学中水的临界点参数是：22.115MPa和374.15℃，在此参数之上，水和汽之间没有明显的物理界面，称为超临界状态。在此参数以上运行的机组称为超临界机组。对于超超临界物理上并没有明确的点，对超超临界机组各国的定义没有统一。国内普遍认为当水蒸汽压力≥27MPa或温度≥580℃时则可称为超超临界机组。亚临界机组热效率＜39％，超临界机组热效率＜42％，超超临界机组热效率根据具体的蒸汽参数和其它影响因素不同在40％以上，丹麦的Nordjylland3#和Skærbæk3#由于采用两次再热和深海水冷却是效率最高的超超临界机组，净效率达到49%（燃气）或47%（燃煤），我国玉环电厂（26.25MPa/600℃/600℃）的设计热效率为45.01％超超临界概念？高温高压腐蚀环境下长期服役条件下，要求耐热材料具备：足够的持久强度组织稳定性（基体、析出物、界面）耐蚀性（流动的超超临界蒸汽、复杂煤灰）可焊接性可加工性

蒸汽25.4MPa，650℃

（650+50）℃3×105小时煤灰铁素体系奥氏体系耐热合金锅炉管锅炉钢的服役环境及对性能的要求使用材料的持久强度不够，造成爆管的严重事故。使用材料的抗蒸汽氧化、耐热腐蚀性能不够，氧化皮打坏汽轮机叶片、造成过热器、再热器堵塞等事故，造成机组停运。国外公布材料性能数据与实际值相比偏高，使机组建成后被迫降低参数运行，损失巨大。国内外超超临界火电机组使用中暴露出来的材料问题管子内壁的氧化皮;剥落的氧化皮造成堵管中国锅炉钢代际划分和现状蒸汽温度，℃＜600℃600℃650℃700℃第1代锅炉钢第2代锅炉钢第3代锅炉钢第4代锅炉钢第5代锅炉钢标志：10万小时持久强度+抗蚀性能~2010年2010年~火电用钢及其体系的演变G102-刘荣藻教授刘荣藻教授在上世纪60年代提出了多元复合强化的理论，在60年代末期研制成功G102（12Cr2MoWVTiB），在70年代研制成功G106（10Cr5MoWVTiB）刘荣藻教授的理论和G102的成功，美国V.K.Sikka教授非常崇拜，并且研发T91获得成功日本研制成功的T23（HCM2S，CC2199-3，6Cr2W2MoNbVNB）、欧洲研制成功的T24（CC2514，6Cr2Mo1VTiNB）都是G102的改型刘荣藻教授1915-2004DevelopmentOfGrade91MaterialCombustionEngineer(CE)DesignedAndDevelopedGrade91Material

-SubmittedthefirstproposaltotheUS-DOEin1969forthedevelopmentofaSuper9Crmaterialforthesodium-coolednuclearreactorapplication -Approvalwasgrantedtodevelop“hardware”atCEbyearly1975undertheprojectadministrationofORNL(OakRidgeNationalLaboratory) -Establishedthealloycomposition&demonstratedfavorablepropertiesin1976 -MHI&SumitomojoinedinthetestingofGrade91material -Grade91wasnotoptimizedforfossilboilerapplicationsDr.Sikka中国近20年锅炉钢研发1993年,开始T91钢的仿制研究1997年,开始S30432钢的仿制研究2005-06年,T122和S304322007-08年,650℃蒸汽参数预研2007-10年，支撑计划2008-11年，650℃蒸汽参数锅炉管2010-14年，973计划2009年，提出“多元复合强化+组织退化失稳分析+选择性强化”理论，发展了“多元复合强化”理论钢铁研究总院开展钢种创新研究

钢铁研究总院正在开发的新钢种:

G108和G109计划替代600-620℃蒸汽参数超超临界火电机组中批量应用的Super304H和HR3C钢

G113和G115计划用于650℃蒸汽参数超超临界火电机组钢铁研究总院与日本NIMS耐热钢研发团队在北京合影，2005年许用应力与锅炉管壁厚T91钢生产工艺路线国产T91钢持久蠕变曲线宝钢、日本、欧洲T91钢S含量控制水平锅炉钢研发理论的发展浙江玉环电厂-中国第一个超超临界火电机组已于2006年并网先进马氏体耐热钢技术前沿AfterF.Abe，NIMS锅炉钢研发思路之一：持久强度构成固溶强化：大直径元素W、Mo置换Fe沉淀强化：析出物体积分数，%粒径，nm间距，nmOrowan，MPaFe2(W,Mo)1.57041095M23C62.050260150MX0.220320120Orowan应力:σ=0.8MGb/λ;M：Taylor系数，取3.03.位错强化：σ=0.5MGbρ∧1/2，回火后位错密度为1-10×10∧14/平米4.亚界面强化：σ=10Gb/λ，如

λ=300-500nm,b=0.25nm,G=64GPa

亚界面强化值可高达320-530MPaAfterF.Abe，NIMS持久强度构成锅炉钢研发思路之二：组织失稳退化600oC100MPa34,141hPAGB晶界附近的组织退化导致长时服役后持久强度的突然下降如何提高晶界附近组织的稳定性？基体：T.M.+Delta-F.引自日本NIMS数据P92锅炉钢研发思路之三：选择性强化AfterF.Abe，NIMSAfterF.Abe，NIMSB与N的最佳配比AfterDr.Abe，NIMSMartensiticsteelstrengthenedbyZ-phase12CrsteelZ65012CrVNbNsteelIdea:accelerateZ-phaseformationtosuppressharmfulgrowthAfterJ.Hald焊接问题焊缝金属韧性远低于HAZ和熔合区HAZ蠕变断裂强度下降异种钢焊接接头的早期失效（铁素体热强钢+奥氏体钢焊接接头性能与母材不匹配）焊接材料的研究严重滞后钢铁研究总院专业设备浙江玉环电厂-中国第一个超超临界火电机组已于2006年并网锅炉钢测试条件-持久蠕变试验机钢铁研究总院：已建成100台，正在准备建设200台宝钢股份公司：260台锅炉钢测试条件-高温蒸汽腐蚀主要技术指标：温度：可达750℃蒸发量：可达8L/h蒸汽：流动水：特级专用水试样：片状或管状实验前：抽真空锅炉钢测试条件-高温灰化腐蚀锅炉钢测试条件