超超临界机组的金属材料介绍

超超临界机组的金属材料介绍1.1概述以亚临界火电机组的电厂净效率为基值，蒸汽参数为25MPa/540℃/560℃的超临界火电机组电厂净效率比亚临界火电机组的电厂净效率高1.6%；27MPa/580℃/600℃超临界火电机组电厂净效率比25MPa/540℃/560℃的电厂净效率高1.3%；30MPa/620℃/640℃超临界火电机组电厂净效率比27MPa/580℃/600℃超临界火电机组电厂净效率高1.3%；30MPa/700℃/720℃超临界火电机组电厂净效率比30MPa/620℃/640℃超临界火电机组电厂净效率高1.6％。这符合热力学所指出的：热机的初参数越高，效率就越好。因此，随着科技进步，人们不断地在开发更高参数的超临界火电机组。然而，机组参数的提高，受制于耐高温材料的开发与制造，随着蒸汽参数的提高就要应用更能耐高温的材料。早在50年代末，美国就投运了参数为31MPa/621℃/566℃/566℃的Philo6号和参数为34.5MPa/649℃/566℃/566℃的Eddystonel号超超临界机组。这二台机组采用的参数由于超越了当时的材料制造水平，投运后多次出现爆管事故和严重的高温腐蚀等材料问题，不得不降参数运行。原苏联首台超临界机组参数为23.5MPa/580℃/565℃，运行后也多次出现材料方面的问题，不得不把参数降到23.5MPa，540℃/540℃运行。日本发展超临界机组，很注重材料的研究与开发，机组参数稳步推进，超临界、超超临界机组得以顺利发展。上世纪80年代以来，欧洲、美国、日本在超超临界发展计划中，首先实施材料开发的计划。由此可见材料是发展超超临界机组的关键。20世纪50年代初，日本从欧美引进锅炉用碳钢、钼钢、铬铝钢、18-8型不锈钢和转子用CrMoV钢，从1981年开始分两个阶段实施超超临界发电计划。第一阶段把蒸汽温度从566℃提高到593℃，第二阶段目标是650℃。在材料的开发上，主要是利用过去对9～12%Cr系钢和奥氏体系钢的开发研究成果，进一步开发高强度9～12%Cr系钢代替部分奥氏体钢，开发比原来奥氏体高温强度更高、耐蚀性更好的新奥氏体钢，以及兼顾高温强度和耐蚀性的渗铬管、喷焊管和双层管。全面回顾和进一步研究合金元素Cr、Mo、W、V、Nb、Cu、Co、Cr、Si、C、N、B、Re单独添加和V-Nb、C-N、Mo-W等复合添加的影响，开发了TB9，TB12，NF616，HCM12A，NF12，TP347HFG，Super304H，HR3C，NF709，SAVE25等锅炉用钢；TR1100，TRl50，TR1200，HR1200，TAF65等转子、叶片、螺栓用钢。日本对耐热钢的开发研制是花大力气的，并取得了举世目瞩目的成功。根据近期的研究成果，含钴的铁素体耐热钢（NF12，SAVE12，HRI200，TF650）最高使用温度有望达到650℃.但还需进一步试验。我国发展不同参数的超超临界机组的候选材料示于下表6－1中。超超临界机组由于蒸汽温度的提高，对材料的耐腐蚀性要求可能会超过对蠕变持久强度的要求，铁素体耐热钢在高温时的耐腐蚀性能应特别引起注意。如果耐腐蚀性不够，即使蠕变持久强度足够，也要考虑采用耐腐蚀性更好的奥氏体钢或表面进行特殊处理以提高耐腐蚀性能。细化晶粒和表面喷涂工艺可提高抗水蒸汽腐蚀能力，表面渗铬、喷焊耐腐蚀合金、包覆耐腐蚀层，可提高向火面的抗耐腐蚀能力。表6－1超超临界机组金属用材1.2高中压汽缸金属材料超超临界汽轮机的高压部分一般为双层缸结构。以便尽量减少各种承压部件所承受的热应力及运行应力，承担最高压力和温度的喷嘴室用12CrMoVCbN钢锻件制造。内缸采用lOCrMoVCb铸造，外缸不承受高温，可以用传统的CrMoV钢制造。主蒸汽管与外缸之间采用焊接连接，焊接连接部分借助冷段再热蒸汽将内壁温度冷却到550－565℃的水平。中压缸部分采用双层缸结构，内缸高温部分采用10CrMoVCb材料铸造，外缸和内缸的低温部分则用传统的CrMoV钢制造。西门子的高压缸则采用独特的圆筒型结构，内装隔板的具有水平中分面用螺栓连接的内缸，套装在圆筒型铸造外缸内，外缸避免采用水平中分面结构.使得结构紧凑。运行时汽缸不会发生不对称变形，径向通流间隙不会发生不均匀变化，由高蒸汽参数以及负荷的变化导致的热应力小。而且蒸汽参数越高，这种圆筒型结构相对中分面结构的高压缸更为优越。1.3转子金属材料为了保证在超高温下有足够的强度，汽轮机转子通常采用12Cr钢制造。12Cr钢由于含铬量高，使轴颈的运转特性很差，轴颈可能由于磨损而导致轴承故障。解决这一问题的方法是在转子的轴颈和推力盘表面加焊低合金，以解决磨损问题。其优点是由于支持轴承温度为常数，不会因低合金层与转子材料间的线胀系数差造成热疲劳；有一层较厚的低合金，支持轴承如果出现损伤可以返修；并可将推力轴承设置在能实现高压部分最佳间隙的控制位置。超超临界汽轮机低压部分主要的设计问题是进汽温度升高的问题。常规的NiCrMoV转子材料在进汽温度超过350～375℃时，有变脆的趋势。解决这一问题的方法以前是采用冷却技术，但当前则采用高纯净技术，尽量减少NiCrMoV材料中P、Sn、Mn及Si的含量，使低压转子在使用温度下基本不发生脆变。1.4当前超超临界机组汽轮机高压缸、中压缸、阀门和蒸汽管道的材料世界上有美国GE公司，德国SIEMENS公司，法国ALSTOM公司，日本三菱、东芝、日立公司，俄罗斯的LMZ工厂等能制造高参数超临界汽轮机。下面主要介绍一下这些机组的金属材料：ALSTOM公司制造蒸汽参数为30MPa/600℃/600℃汽轮机的选材：高压缸转子：10CrMoVNbN，高压内缸：10CrMoVNbN，高压外缸：2.25CrMo，高压缸喷咀室：11CrMoVNbN，主蒸汽管道：9CrMoVNbN，主蒸汽阀：9CrMoVNbN。中压缸进汽蒸汽管道：9CrMoVNbN，中压联合汽门：9CrMoVNbN，中压外缸：1CrMoV，中压内缸：9CrMoVNbN，中压缸内缸螺栓：11CrMoVNbN，中压缸隔热套筒：92CrMoVNbN板材，中压转子：10CrMoVNbN。低压缸主要是末级动叶片，ALSTOM公司对于50Hz机组采用1.2m、1.225m、1.24m、1.28m、1.32m、1.36m和1.46m的合金钢末叶片，1.58m和1.74m的钛合金末叶片。东芝公司蒸汽参数为25MPa/600℃/610℃的1050MWCC4F-48型蒸汽轮机的选材高压转子：改良型12Cr锻钢，高压缸动叶：新12Cr锻钢，高压内缸：12Cr铸钢，高压外缸：CrMoV铸钢，喷咀室：优质9Cr锻钢，高压主汽阀和调节阀的阀体：优质9Cr锻钢。中压转子：改良型12Cr锻钢，中压内缸：12Cr铸钢，中压外缸：CrMoV铸钢，中压联合汽门的阀体：新12Cr铸钢。三菱公司1050MW蒸汽参数为25MPa/600℃/610℃汽轮机装置高压缸的选材高压转子：新型12Cr锻钢，喷嘴室：12Cr铸钢，高压内缸：12Cr铸钢，高压外缸：21/2CrlMo铸钢，一级静叶环：12Cr铸钢，二级静叶环：21/2CrlMo铸钢，动叶：R-26奥氏体耐热合金钢。主蒸汽阀阀体：9Cr锻钢，调节阀阀体：9Cr锻钢。俄罗斯LMZ工厂设计的30Mpa/600℃/600℃/600℃蒸汽轮机装置高压转子的材料为3и-756，主蒸汽管道和中压进汽蒸汽管道的材料为10Cr9MoPb-Ⅲ。LMZ工厂已掌握了50Hz1500mm钛合金末叶片。综上所述，世界各制造厂在选用高参数超临界锅炉和汽轮机高温部件的材料上大致类同，而且这些材料很容易从市场上采购。东芝公司改良型新12Cr钢、俄罗斯3и-756钢等钢的化学元素成份见表6－2。表6－2合金钢的化学成分表1.5泰州电厂机组高温材料和技术介绍1．下图为关键的保温材料部位高压阀门中压阀门高压第1级叶片高压喷嘴室高中压转子高中压内缸中压第1级叶片2．不同材料的高温蠕变强度图6－2各合金钢的高温蠕变强度3汽轮机主要部件材质表序号部件名称材料标号ASTM通用材料及说明力学性能(室温下)屈服强度N/mm2高压缸1高压转子K11E89A12Cr-Mo-V-Nb-N6852动叶片K9A74AK9A62A11CrWVNbNReCo10.7Cr-Mo-V-Nb-N6956953喷嘴K9A62A10.7Cr-Mo-V-Nb-N695550575600625650100200300550575600625650100200300蒸汽温度℃蠕变强度MPa1%Cr-Mo-V钢(1Cr-Mo-V钢)12%Cr钢(12Cr-Mo-V-Nb-N钢)新12%Cr钢(12Cr-Mo-V-W-Co-Nb-B-N钢)改良12%Cr钢(12Cr-Mo-V-Nb-N-W钢)适用范围序号部件名称材料标号ASTM通用材料及说明力学性能(室温下)屈服强度N/mm24隔板Ka-SFVAF28B7B4C9Cr-1Mo-Nb-V12.5Cr4104905外缸K12F54B1.25Cr-1Mo-V4206内缸K12C63B10Cr-1Mo-0.2V-0.1Nb-0.05N5007喷嘴室K12C63B10Cr-1Mo-0.2V-0.1Nb-0.05N5008汽封SS4009缸体螺栓K9A62AK9A56EK5P51C10.7Cr-Mo-V-Nb-N12Cr-Mo-W-V1Cr-0.5Mo-V695630655中压缸10中压转子K11E89A12Cr-Mo-V-Nb-Nsteel68511动叶片K9A74AK9A62A11CrWVNbNReCo10.7Cr-Mo-V-Nb-N69569512喷嘴K9A62A10.7Cr-Mo-V-Nb-N69513隔板K12C63BKa-SFVAF28B7B4C10Cr-1Mo-0.2V-0.1Nb-0.05N9Cr-1Mo-Nb-V12.5Cr50041049014外缸K12F54B1.25Cr-1Mo-V42015内缸K12C63B10Cr-1Mo-0.2V-0.1Nb-0.05N50016汽封SS40017缸体螺栓K9A62AK9A56EK5P51C10.7Cr-Mo-V-Nb-N12Cr-Mo-W-V1Cr-0.5Mo-V695630655进汽阀18MSV/GV阀体GX12CrMoWVNbN101110Cr-Mo-V52019MSV/GV阀盖GX12CrMoWVNbN101110Cr-Mo-V52020MSV/GV螺栓K62N68A53Ni-Cr1035序号部件名称材料标号ASTM通用材料及说明力学性能(室温下)屈服强度N/mm221RSV/IV阀体GX12CrMoWVNbN101110Cr-Mo-V52022RSV/IV阀盖GX12CrMoWVNbN101110Cr-Mo-V52023RSV/IV螺栓K62N68A53Ni-Cr1035蒸汽管路24HP进汽管路ASMESA335P919Cr41025IP进汽管路低压缸26低压转子K11E73D3.5Ni-1.75Cr-Mo-V65527低压外缸SS40028低压内缸SS40029末级动叶K11C88A15Cr96530次末级动叶K11C79E12Cr-Nb-N56031低压其他级动叶片K9A61E12Cr49032末级次末级静叶SCS19forL-0K11C86AforL-1SCS19(JIS)12Cr186forL-0345forL-133低压其他级静叶片K11C82B13.5Cr-Nb28534低压外缸螺栓SCM435CrMo(JIS)78435低压内缸螺栓SCM435CrMo(JIS)784表6－3本机组的金属材料使用情况汇总