700℃超超临界机组用国产新型耐热钢及其焊接材料

2023/4/23完善600℃、开发700℃超超临界机组用国产新型耐热钢及其焊接材料2023/4/23摘要：本文简要概述了中国电力工业发展的现状，论述了超超临界（USC）技术是未来我国火电机组的主要发展方向。指出了发展超超临界机组的关键技术之一是金属材料和焊接材料耐高温、高压及焊接和热处理问题。完善600℃、开发700℃超超临界机组用国产新型耐热钢及其焊接材料，使超超临界发电技术成为我国火电发展的主流和强项。关键词：超超临界国产化新型耐热钢焊接材料2023/4/23一、概述我国是全球除美国以外的第二大电力生产国与电力消费国。2011年，我国用电量持续增长，电力规模继续增大，结构有所改善，质量和技术水平进一步提高，节能减排成效显著。截至2011年底，全年全国发电量47217亿千瓦时，发电装机容量达到10.56亿千瓦；其中，火电装机容量7.65亿千瓦，水电装机容量2.30亿千瓦，核电装机容量1250万千瓦，风电并网装机容量4505万千瓦。2023/4/23电力装机容量和全年发电量均占世界第二位，这标志着我国电力工业上了一个新台阶。我国电力工业取得了举世瞩目的成就，有力地支撑了国民经济快速健康发展对电力的需求。2023/4/232011年，全国在运百万千瓦超超临界火电机组已经达到40余台。其中宁夏灵武电厂二期工程百万千瓦机组是世界上首个百万千瓦超超临界空气冷却发电机组项目，将促进我国富煤、贫水地区电力工业的可持续发展。虽然我国USC机组的发展取得了举世瞩目的发展，但USC机组用高温高强度钢材、焊材国产化研制和应用性能研究工作薄弱，因此，完善600℃、开发700℃超超临界机组用钢和焊材及其性能随温度、使用时间、变化规律的研究，已成为发展USC技术的关键。2023/4/23二、USC机组是我国火电发展的必然趋势电力是一种应用广泛，使用方便的清洁能源。电力是二次能源，它是由煤炭、石油、天然气、水利、核能以及风力等转换而成的。电力在终端能源总构成中所占的比例已成为衡量一个国家现代化程度的重要标志。2023/4/23

我国一次能源结构的特点是:“富煤、贫油、少气”，我国能源以煤碳为主，我国煤炭消费占一次能源的70%，远高于世界平均约30%的水平。预计全国发电装机容量到2020年为18亿千瓦，其中火电将从目前占总容量的75%左右，下降为66%，水电占22.7%，核电、风电等新能源约占11.3%。2023/4/23从以上电源结构发展情况可以看出，火电比重随核电、可再生能源比重的增加而减少，但到2020年前，我国以火电为主的电源结构不会发生根本改变，火电将在相当长时期内占据主导地位。由于我国一次能源以煤炭为主，所以我国的能源发展政策是煤为主体，电为中心，保障社会经济的可持续发展。2023/4/23我国电力发展的基本方针是:提高能源效率，保护生态环境，加强电网建设，大力开发水电，优化发展煤电，安全、高效发展核电，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电。优化发展煤电，主要是提高燃煤发电机组的效率和减少污染物的排放。2023/4/23发展燃煤发电机组，烟气排放中会有更多的SOx、Nox和CO2，并排出大量的灰渣和污水。给人类带来四大环境问题：温室效应、酸雨、臭氧层破坏和大气污染。2023/4/23优化发展煤电，提高火电机组效率、减少污染的洁净煤发电技术有：循环流化床（CFBC）、增压流化床（PFBC）、整体煤气化联合循环（IGCC）及超临界（SC）与超超临界（USC）。但是，CFBC、PFBC、IGCC等技术处于试验或示范阶段，在我国近期广泛发展是不现实的。2023/4/23从技术难度和现实性看，SC和USC配以常规的烟气净化装置已公认是一种洁净煤发电技术，是优化煤电结构的主要方向。符合当前中国的实际情况。所以超（超）临界机组是我国火电机组的主要发展方向。2023/4/23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~28MPa，T＝600℃/600℃，一次再热。我国在运的33台1000MWUSC机组的实践，已充分证明了，我国大力发展USC机组的必然性和正确性2023/4/23三、我国超超临界机组的发展现状

超超临界火电机组是世界上成熟先进的发电技术，目前主蒸汽/再热气温度为600℃的超超临界机组供电效率可达44~45%，在经济发达国家中广泛应用并得到了显著的节能和减少污染的效果，并且正进一步向更高参数方向发展。2023/4/23进入21世纪，中国加大了超超临界发电技术的开发力度，加快了超超临界发电机组的建设步伐。原国家电力公司在2000年针对当时国际上燃煤发电技术的发展趋势，并结合我国的具体国情提出“超超临界燃煤发电技术”课题。2023/4/23课题研究的目的是：在立足于通过国际市场采购已商业化的耐热金属材料的基础上确定我国建设超超临界机组的技术路线，推动我国发电行业的技术升级。该项目获得了国家科技部和国家发改委的支持，科研项目被列入国家“十五”高科技计划（863计划）。华能玉环工程被列为依托工程。2023/4/23从2003年起，我国发电设备制造企业与国外制造商合作，引进大型超超临界火电机组技术。上海、哈尔滨和东方三大动力集团分别从西门子、三菱以及日立公司等引进了超超临界技术。2006年11月、12月采用引进技术生产的1000MV超超临界火电机组分别在玉环电厂、邹县电厂成功投运，标志着我国电力设备的制造水平跨上了一个新的高度。2023/4/23截止到2011年底，在运行的1000MV超超临界机组已达40余台，中国已经成为世界上拥有超超临界机组最多的国家。也因此是积累超超临界机组的设计、制造、安装和运行经验丰富的国家。2023/4/23虽然我国超超临界机组取得了举世瞩目的发展，但国内制造企业技术创新的瓶颈仍然明显，主要表现在超超临界机组用高温高强度钢材及焊接材料国产化研制和应用性研究工作薄弱，超超临界机组600℃等级新型耐热钢及焊接材料尚未完全实现国产化，目前部分还依赖进口，价格居高不下和货源紧缺制约超超临界机组发展。2023/4/23根据我国的现实情况，实现超超临界机组技术再创新，增强国内制造业的核心竞争力仍是当务之急。应在消化吸收引进技术的同时，加强国内自主创新的支持力度，重点解决新型耐热钢的国产化等核心技术问题，逐步形成具有我国特色的、具有自主知识产权的超超临界成套设备设计制造技术，具备产品自主优化和自主升级能力。2023/4/23四、完善600℃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及焊接材料的耐高温、高压及焊接和热处理问题。2023/4/23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-T23、T91、T92；SA335-P91、P92、P122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。如表一2023/4/23表一SC/USC锅炉承压部件用钢承压部件 超临界超超临界水冷壁T1,T2,T11 T1,T2,T11；T23/T24过热器再热器T12,T22,T23,T91,TP304H,TP347H T12,T22,T23,T91,T92,TP310HCbN(HR3C)、A213M-S30432(SUPER304H)主汽P91P92/P122/E911再热冷段Al672B70CL32 A691Cr1-1/4CL22再热热段P91 P91/P92 给水管道WB36 WB362023/4/23为了更好的发展SC、USC机组，在大量引进国外先进的新型耐热钢的过程中，要加快国产新型耐热钢的开发，为了确保USC机组的稳步发展，应开展以下几方面的试验研究工作。2023/4/23(1).开展新型耐热钢合金化机理、力学性能、强韧化机理、高温持久强度、抗烟气腐蚀、抗蒸汽氧化及寿命评估方面的研究工作。

(2).开展新型耐热钢，经过长期高温运行后，钢材显微组织及性能变化规律的研究。

(3).开展新型耐热钢异种钢焊接接头早期失效机理研究。

(4).进一步研究和掌握P91钢管的合金化、强韧性强化机理和生产制造、热处理工艺，使国产P91钢管质量稳定，完善管径、壁厚、品种、规格，形成批量生产。2023/4/23(5)开展T/P92钢材的国产化的基础研究，生产制造工艺的试验。尽快实现国产化。(6)加速A213M-S30432（Super304H）、TP310HCbN(HR3C)钢国产化的生产制造和挂炉试用工作。(7)同时开展与T/P91、T/P92、A213M-S30432（Super304H）、TP310HCbN(HR3C)钢相匹配的焊接材料的国产化开发工作。2023/4/23(8)焊接及热处理是保证火电建设质量和发电设备安全运行的重要基础专业，目前我国已开始大力发展的SC、USC火力发电机组，所采用的新型耐热钢与传统的低合金耐热钢有质的区别。广大电站焊接工作者必须转变几十年来焊接传统的低合金耐热钢形成的观念。需要对这种新型耐热钢的强化机理、焊接性、焊接工艺、热处理工艺、检验方法、焊工培训及焊接管理等方面进行深入的研究和实践，加大电站焊接科研力度，加大对焊接及相关专业人员的技术培训，进一步提高专业技术素质，以保证我国电力发展目标的实现。2023/4/23五、开展对700℃超超临界新型耐热钢的研究虽然目前我国600℃超超临界发电技术和建成的机组均达到国际水平，但我们必须注意的是，我国超超临界发电技术比发达国家起步晚十年，目前世界发达国家的超超临界技术正在向更高水平发展。日本、美国及欧洲等工业发达国家制订了一系列的超超临界火电技术的中长期发展计划，积极开发34.3MPa/650℃以及40MPa/700℃新钢种系列，使超超临界机组朝着更高参数的技术方向发展。2023/4/235.1欧盟AD700超超临界技术开发项目欧盟1998年启动700℃级先进蒸汽参数的超超临界技术开发项目“AD700计划”，该项目的目标是：(1)研发、设计和示范先进蒸汽参数超超临界煤粉炉技术，使蒸汽参数达到37.5MPa/700/720℃；(2)AD700超超临界机组的净效率要达到52-55%，在当前最先进的超超临界机组效率的基础上（30.0MPa/600/600℃，净效率47%）实现更进一步降低标准煤耗和CO2排放各15%的目标；(3)开发出合格的适合于AD700机组蒸汽参数的先进镍基锅炉和汽轮机材料并改进现有的奥氏体和铁素体钢。2023/4/23(4)镍基合金的研发，目标是700℃、105h的蠕变强度大于100Mpa。700℃-750℃条件下进行的新材料试验，包括强度、蠕变特性、脆性、抗氧化性能等。目前AD700计划已经进入工业试验阶段，预计在2020年前，700℃参数超超临界机组将投入商业运行。2023/4/23表二为欧盟AD7001000MWe超超临界机组设计参数。由表可见，该项目有冷水塔冷却和海水冷却两个方案，如果采用欧洲北海的只有10℃的海水冷却，则净效率可达55%。2023/4/23表二欧盟AD7001000MWe超超临界机组设计参数参数单位冷水塔冷却海水冷却总功率MWe10001000主蒸汽参数℃/MPa700/35.0700/35.0再热蒸汽参数℃/MPa720/6.9720/6.9冷凝器压力kPa4.02.5冷却水温度℃16.510.0最后给水温度℃335.0335.0环境空气温度℃2010汽轮机热耗kJ/kWh64266355发电机效率%95.0095.00辅机电耗MWe70.0070.00电厂净效率%53.50552023/4/23表三超临界和超超临界煤粉炉采用的高温耐热材料的比较项目超临界使用的材料超超临界可用的最新技术材料AD700所需材料蒸汽参数25Mpa、560℃/560℃25-28Mpa、600℃/620℃35Mpa、700℃/720℃水冷壁15Mo3、BSGrade243ASTMA213、T24或T23(HCM2S)HCM12过热器和再热器T91、T23、TP304H、TP347HNF709、E1250、T91、A213M-S30432(SUPER304H)、TP310HCbN(HR3C)。Ni合金集箱和管道P91,P22/P23A335P92（NF616）、P122、E911Ni合金2023/4/235.2美国760℃超超临界技术研发计划美国的研发目标是开发蒸汽参数760℃/760℃/38.5MPa的火电机组，效率达到46%-48%(HHV)以上。根据其材料性能数据证实760℃/760℃的蒸汽温度可以实现。美国的锅炉材料研究项目：第一阶段(2001-2006)完成了机组概念设计和经济性分析、先进合金的力学性能、蒸汽氧化和烟气腐蚀特性、可焊性与加工性能评估、涂层、设计规范等研究内容。第二阶段(2007-2009)主要对富氧燃烧下实现760℃超超临界技术的可行性及锅炉材料的腐蚀等进行了研究，以备将来与CCS技术结合。2023/4/23美国760℃超超临界技术研发计划美国的汽轮机材料研究项目：第一阶段(2005-2009)确定了包括焊接和整锻转子在内的汽机部件候选材料，并完成了焊接转子的焊接试验。但Simens负责的大型铸件选材遇到技术难题，确定的Haneys282和Inconel740两个候选材料无法以空气熔炼、浇铸工艺生产大型铸件。2023/4/23第二阶段(2009-2010)重点在特殊的制造工艺（尤其是铸造）方面，如合金的电弧冶炼/AOD以及真空和压力铸造。根据橡树岭国家实验室对美国铸造行业的评估，为保证可靠性，从日本和欧洲采购锻件代替最高温度的铸件是最佳选择。美国目前高温部件仅完成了锅炉管的现场验证，尚无示范机组建设计划。2023/4/235.3日本A-USC计划日本于2000年开始“700℃级别超超临界发电技术”可行性研究，2008年正式启动“先进的超超临界压力发电(A-USC)”项目的研究，最终使蒸汽温度达到700℃以上，净热效率达到46%-48%(HHV)。项目需要9年完成，包括系统设计、锅炉、汽轮机、阀门、材料长时性能试验、部件的验证等。目前处于初期阶段，已确定机组参数先实现700℃/720℃/720℃/35MPa，最终将再热蒸汽温度提高到750℃。2023/4/23按计划2016年完成高温部件验证，预计2020年左右建成示范机组。尽管日本国家层面的A-USC计划启动较晚，但其企业早已开始关键技术特别是新材料的开发，包括：三菱重工开发了低膨胀镍基合金LTES700R；东芝已试制出3.5吨IN625合金阀体并解剖试验，2006年开发了TOS1X合金（改良617）并试制成7吨锻件，700℃的10万小时持久强度160MPa以上；住友金属开发了Fe－Ni基合金HR6W；日立开发了FENIX700、USC800、USC141等多种镍基合金等。2023/4/235.4俄罗斯超超临界研发计划俄罗斯正大量建设600℃等级超超临界机组。世界上第一台参数为温度达到650℃的试验机组安装在全俄热工研究院废热电厂，现已经运行超过21万小时。“俄罗斯国家纳米技术集团”正致力于超超临界工艺的研究与发展，其中包括工作在650-700℃下的锅炉和汽轮机的材料的研制及运行工艺的提高。俄罗斯最大的锅炉及汽轮机制造企业以及国家主导科研机构都加入了这一领域的工作，但具体进展情况尚不清楚。2023/4/23国际上700℃先进超超临界发电计划对比，如表四2023/4/23可喜的信息是：2010年7月23日国家能源局举行了“国家700℃超超临界燃煤发电技术联盟“启动仪式，我国依托能源、电力、设备制造和冶金行业及科研院所、高等院校等，正式组建和启动了国家700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟，我国能源行业技术进步又迈上一个新台阶。2023/4/23据介绍，700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟的宗旨是，通过对700℃超超临界燃煤发电技术的研究，有效整合各方资源，共同攻克技术难题，提高我国超超临界机组的技术水平，实现700℃超超临界燃煤发电技术的自主化，带动国内相关产业的发展，为电力行业的节能减排开辟新路径。2023/4/23国家能源局于2011年6月23日在北京召开2023/4/23六、我国超超临界机组焊接材料的现状及发展趋势

焊接作为应用最广泛的材料永久连接方法，是现代制造中的关键技术，在火电设备制造、安装及检修中均得到广泛的应用。中国坚持国产化的火电发展道路，焊接作为国内火电领域需要攻关的关键技术之一，其科技创新和进步是火电关键设备自主制造、安装及检修的核心。2023/4/23目前国内超超临界机组关键设备制造及安装中用到的焊接材料以进口为主，主要的供应商有伯乐、曼彻特、法液空、伊萨、林肯、神钢、住金等国际知名焊材品牌生产商。2023/4/23国外知名品牌的焊接材料生产企业涉足超超临界机组较早，有成熟的生产技术和质量保证体系，经过国际上多项产品认证，具有超超临界机组的应用业绩，同时不断根据经验反馈进行焊接材料的改进优化，因此产品质量得到了广泛的认可。2023/4/23国内焊接材料生产商普遍在超超临界机组关键焊接材料的研发起步较晚、技术储备不足，因此高质量的超超临界机组焊接材料种类匮乏，同时因部分企业质量管理体系尚未健全、质量稳定性不够而导致产品难以进入超超临界机组市场。而进口焊材存在成本较高、供货周期较长的问题。国内火电机组大批量建设期间，迫切需要开展超超临界机组关键钢材焊接材料的国产化。2023/4/23七、结束语我国完善600℃、开发700℃超超临界机组所采用的高温金属材料、焊接材料应采用引进技术消化吸收与国内自主创新研发相结合的技术路线。“十二五”期间应积极引进国外先进技术，并自主研发高温金属材料和焊接材料。并开展高温材料应用性能研究。目前是我国开展700℃超超临界高温金属材料和焊接材料研发的一个低风险、同时也不会太落后的最佳时机。通过努力，可在十年左右的时间内赶上国际先进水