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高铬铁素体耐热钢热稳定性研究分析

来源:至德钢业 日期:2020-11-05 17:12:08 人气:1006

超超临界机组的发展,很大程度上取决于耐热钢的进步。耐热钢主要分为铁素体钢和奥氏体钢两大类,铁素体钢又包括珠光体、贝氏体和马氏体及其双相钢。高铬耐热钢最初是直接采用从20世纪50年代至70年代,各种铁素体耐热钢相继被开发出来,主要用于热电厂亚临界机组蒸汽管道上。这一时期铁素体耐热钢的许用温度和强度都低于奥氏体耐热钢,因此当时各国新发展的超超临界机组直接搬用航空、燃机材料,首先采用的都是用于喷气式发动机和蒸汽轮机叶片的奥氏体钢,但由于机组蒸汽参数选择较高,机组运行期间奥氏体耐热钢部件暴露出很多问题,如316奥氏体钢管的连接管出现裂纹和焊接缺陷导致的损伤或爆管,受热还易引发疲劳断裂,迫使机组不得不降低参数运行。从此各国开始把目光投向了取代奥氏体耐热钢的高性能铁素体耐热钢的研究。


 含铬量为9%-12%(质量分数)的高铬铁素体系耐热钢能较好地满足超超临界火电机组的使用要求,已得到了广泛的研究和应用。该系列钢具有高的的蠕变断裂强度、低的热膨胀性、好的导热能力和抗腐蚀性、足够好的淬透性以及焊接性,已逐渐成为热电厂中主要设备用材的主选或更新换代材料。


 自20世纪80年代以来,美国、日本、欧洲等在开发先进耐热钢方面进行了大量的研究,先后推出了EPRI、EPDC、COST501研究计划,开发出了P91/T91、P92/T92、E911和T122等一系列新型耐热钢,已纳入了使用标准并成功的应用于超超临界机组。目前,先进铁素体/马氏体耐热钢使用温度已达到600-610℃这一范围。


 T/P91钢是由美国橡树岭国家实验室与燃烧工程公司联合开发的,它是以9Cr-1Mo钢为基础,降低C含量,添加微量的Nb、V合金元素,控制N元素含量而得到的新型耐热钢,具有优良的高温强度和高温抗氧化性,在593/10℃5 h条件下的蠕变断裂强度可达到100MPa,韧性较好,是超超临界机组蒸汽参数由566℃向593℃过渡的关键材料,可作为超超临界机组的受热面管和蒸汽管使用,壁温超过600℃,蒸汽压力超过24MPa。由T/P91制的钢管已在美日超超临界机组投入使用,是一种比较成熟的钢种。


 E911是欧洲开发的钢种,它是在T/P91的基础上加入0.9%-1.1%的W而形成的。该钢在600℃下外推10 5 h的持久强度为118MPa,比P91钢高30%,也高于TP304H和TP347H,可以替代奥氏体钢用于过热器、再热器以及联箱等部件。


 T/P92钢是日本开发的一种新型耐热钢,它的出现得益于T/P91钢的成功。它以T/P91钢为基础,加入1.5-2.5%W,钼含量则降为0.3-0.6%,形成以钨为主的钨钼复合强化,综合性能可媲美于T91钢,且许用温度更高,最高可达630℃,可在电站锅炉中的高温过热器、再热器中部分替代奥氏体的TP304H等,但长期运行下会有蠕变脆性倾向。


 T/P122是日本以德国X20CrMoV12.1钢为基础开发出来的铁素体耐热钢,它在钢中以W取代部分Mo,并添加了Cu元素以避免Cr含量较高而出现delta铁素体。Cu元素的添加增加了高温强度,但塑性和韧性有所降低。


 西方发达国家如欧洲、美国、日本,一直在对可用于650℃及更高温度的超超临界火电机组用高温材料进行研究。欧洲的Thermie AD 700项目计划研制能在700℃投入使用,热效率超过50%的耐热材料,美国的DOE Vision 21项目目标温度为760℃,这些项目计划采用镍基高温合金来取代现有的铁素体/马氏体耐热钢,虽然高温合金使用温度更高,但最大的问题是其价格要高得多。所以从经济和性能综合进行考虑,研制能在650℃及更高温度投入使用的的高铬铁素体/马氏体耐热钢是更为可行的方案。目前,投入使用的先进铁素体/马氏体耐热钢的蒸汽温度已达到600-610℃这一范围。火电厂超超临界机组耐热钢发展的目标是650℃下工作100000小时的断裂强度为100MPa。


 我国超超临界机组用耐热钢的研制与国外相比还存在很大差距。据统计,目前发电设备用钢的30%仍需要从国外进口,国内耐热钢研发和生产还无法满足发展超超临界机组的需求,其水平远远滞后于电力工业的发展速度。目前要完全自主,不依靠国外的力量开发先进电站用耐热钢还有较大困难,因此从国际市场引进超超临界机组耐热钢是我国实现赶超的现实途径,但为了保证机组安全运行和维护的需要,逐步提高设备部件的国产化水平,不受制于人,需要开展耐热钢的各种组织和性能等方面的试验和研究,借鉴日本发展大容量火电机组的成功经验,引进、消化和吸收材料研发的先进技术,使我国的超超临界火电技术向着高参数、高效率的方向稳步前进。


本文标签:耐热钢 

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