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1、我国高端锅炉耐热钢和合金的发展趋势,程世长钢铁研究总院 2014年4月，扬州,目录,1.火电机组的发展2.火电机组高端锅炉耐热钢和合金的发展3.我国高端锅炉钢国产化带来的思考4.结语,2,1.火电机组的发展,1.1背景1945年二战后经济发展促进火电发展:苏联、美国、德国等国加强火电机组研究和发展。1973年和1978年两次能源危机，为降本促进火电发展。中国在80年代初改革开放初期，经济发展急需火电机组提升。中国本世纪初经济高速发展对电力急需和对排放的控制，促使中国火电机组的高速发展。中国在2010年启动700 A-USC技术开发研究。中国在2011年启动600/623 USC机组开发。,3,
2、1.2 火电机组的发展1949年苏联建造了世界上第一台USC试验机组（30万KW，29.4MPa，600）1963年以后主要为：23.5MPa/565/570。1956年西德第一台投运的USC机组（8.8万KW，34MPa，610/570/570），1972年后主要为24.5MPa/535/535。1957年美国在Philo电厂（6#机组）投运USC机组（12.5万KW，31MPa，621/566/538）。1958年美国在Eddystone电厂(1#机组）投运USC机组（32.5万KW，34.4MPa，649/566/566）。1963年美国机组降参数运行：31MPa/610/577/577
3、，以后主要参数：24.1MPa/538/538/552。历史上发生了USC-SC-USC机组的发展过程，大约经历20多年，这段艰辛历程表明：高端耐热钢是火电机组的基础。,4,1.火电机组的发展,1.3 中国火电机组的发展中国从中压机组发展到超临界机组大约经历40年。1981年从美国CE公司引进60万KW超临界机组（17MPa/538/538，1992年投运）2000年巴威公司制造了第一台国产超临界机组（24.8MPa/568/596，42.5万KW)2006年哈锅制造，玉环电厂投运了第一台国产 超超临界机组(26.25MPa/600/600，100万KW)2010年7月国家能源局启动“中国70
4、0超超临界发电技术开 发计划”（35MPa/700/700/720）2011年启动创新机组开发30-35MPa/600/623/623,5,1.火电机组的发展,中国火电机组的发展,6,图1 中国火电机组蒸汽参数发展,1.4 USC机组国家发展计划,1.火电机组的发展,2.火电机组高端锅炉耐热钢的发展,60年代：G102(12Cr2MoWVTiB)(刘荣藻教授团队)70年代：G106（10Cr5MoWVTiB)(刘荣藻教授团队)1978年：T91（美国橡树岭实验室V.K.Sikka教授团队）1983年：TP347HFG（日本住友，西寺洋志）1984年：HR3C（S31042，日本住友，椹木羲淳）
5、1985年：NF709（日本新日铁，菊池正夫）1986年：HR6W（日本住友，椹木羲淳）1987年：T92（NF616，日本新日铁，神原瑞夫）1991年：Super304H（S30432，日本住友，椹木羲淳）1991年：T122（HCM12A，日本住友，伊势田敦朗）90年代：T23（日本）、T24（欧洲）、T911（欧洲）本世纪研制：SAVE12（日本）、NF12（欧洲）、VM12（欧洲）、G112（中国钢 研）、G115（中国钢研）、XA704（日本新日铁）、NF709R（日本新日铁）、SAVE25（日本住友）、G107（中国钢研）、G108（中国钢研）、G110（中国钢研）、Sanicro
6、25(瑞典),8,图2-1 铁素体型锅炉耐热钢的发展,9,105h Creep Rupture Strength,10,图2-2 奥氏体型锅炉耐热钢的发展,表2-1 锅炉耐热钢化学成分（wt%）,11,表2-1（续）,12,2.1 我国高端锅炉耐热钢和合金的发展,60年代：以陆燕荪、刘荣藻为首的团队研制成功G102(12Cr2MoWVTiB)，大量应用，处于世界领先水平。70年代初，刘荣藻团队研制成功G106(10Cr5MoWVTiB)，大量应用，处于世界领先水平。中国在80年代引进CE超临界机组，同时引进T91、P91钢。中国在90年代引进超超临界机组，引进T92、P92、Super304H
7、、HR3C钢。90年代初中国开始了20年的国产化进程，首先是T91钢管的国产化。后来相继完成了T23、T/P91、T/P92、T122、TP347HFG、S30432（Super304H)、S31042（HR3C)钢管的国产化。26MPa/600/600 USA机组高端锅炉钢用T92、P92、Super304H、HR3C。30MPa/600/623/623参数USC机组目前基本上用600/600 USC选材。30-35MPa/700/700/720 A-USC机组用合金仍未确定。,13,中国的“多元素复合强化”理论为高端锅炉耐热钢发展奠定了基础,刘荣藻教授在上世纪60年代提出了“多元素复合强化
8、”的理论，同时研制成功G102，处于世界领先水平，全国大量应用。70年代初研制成功G106（10Cr5MoWVTiB)，世界领先，用于电厂。刘荣藻教授的理论和G102的成功，美国V.K.Sikka教授非常崇拜，该团队应用此理论于1978年研发T91获得成功。日本研制成功的T23和欧洲研制成功的T24都是G102的改型。后来发展的T/P92、T/P91、T/P122、VM12、NF12、Super304、HR3C、NF709等等都运用了“多元素复合强化”的理论。,14,刘荣藻教授1915-2004,2.2 30-35MPa/600/623/623 USC 机组锅炉用高 端耐热钢发展趋势,该机组未
9、定型，蒸汽压力和温度都会变。目前设计的参数主要受耐热钢的限制，比如在联箱的接管壁温可达639，用9%Cr的T92钢，抗氧化腐蚀性能差，用11%Cr的T122钢高温强度低。该机组要求壁温640-650，抗氧化腐蚀和高温强度性能均高于T/P92的新钢号。目前，含11-12%Cr马氏体耐热钢中，仅T/P122已纳入ASME标准，但高温强度低于T/P92。欧洲的VM12和NF12，日本的SAVE12，中国的G112都未纳入ASME标准。由于Cr含量由9%提高到11-12%，使钢在650蒸汽中的抗氧化性能大幅度提高，能克服9%Cr钢使用中大量掉皮的问题。,15,为研制650壁温马氏体钢，我院于2006年
10、开始了11Cr-4W-3Co、11Cr-3W-3Co G112的研制，生产了769、25425钢管，性能优于T/P92。11%Cr马氏体锅炉钢成分对比 表1 11%Cr马氏体锅炉钢的名义成分（wt%）11%Cr马氏体锅炉钢高温持久强度对比表2 高温持久强度（外推105h，MPa）,2.2 30-35MPa/600/623/623 USC 机组锅炉用高 端耐热钢发展趋势,G112与T/P92钢性能比较（1）650抗蒸汽腐蚀性能优于T/P92 650300h时，P92钢表面鼓起氧化皮并开始剥落，1000h时大面积表面氧化皮剥落，而G112钢表面仅一层薄氧化皮。G112钢6501000h试验的氧化增
11、重速度为 0.180g/m2h，即0.1978mm/a。其氧化动力学方程为：Y=14.3835t0.36706(2)热膨胀系数与T/P92相当 表3 热膨胀系数,（3）高温屈服强度高于T/P92（管材取样）表3 高温屈服强度（管材取样）（4）高温持久强度高于T/P92（管材取样）表4高温持久强度（管材取样）*（日本NIMS的ISSN1346.7514报告）（5）高温弹性模量高于T/P92 表5 高温弹性模量,HR3C和Super304H钢在新机组中的问题,HR3C（S31042）钢：含25%Cr，高温下抗蒸汽腐蚀性能良好，623机组中过热器和再热器温度提高到690700，压力提高到3032MP
12、a，HR3C钢持久强度（许用应力）已经不能满足，需要高性能钢号替代。Super304H钢：在600USC机组中使用，管内壁必须喷丸，才能保证蒸 汽氧化皮少。在623USC机组中，温度提升（690700）和压力提高（30MPa），氧化掉皮可能很严重，造成管壁升温，甚至爆管。,19,同等级奥氏体钢高温持久强度（105h，MPa）,表6 奥氏体锅炉钢650700105h持久强度（MPa）,20,表7 G110钢700持久强度（MPa）,G110与Sanicro25钢的讨论,Sanicro25是瑞典Sandvik公司1990年研制的钢号，早已纳入ASTM A213/A213M 标准UNS S31035
13、，已在2008.09纳入Vdtv-Werkstoffblatt标准WB555，并在2008.4.8申请进入ASME标准，于2013年批准为Code Case2753，该钢2004年后用于超临界机组，在600 USC机组上未曾应用。从公布的性能优于Super304H、HR3C，700 105h外推持久达95MPa，是新机组理想的材料。目前三大锅炉厂、钢研院、西安热工院、上海成套所、钢厂及电力集团都在研究应用可行性。G110是钢研院2006年开始研制的耐热钢，高温抗蒸汽氧化性能、700持久强度及成本与Sanicro25相当。,21,2.3 30-35MPa/700/700/720 A-USC机组锅
14、炉合金 发展趋势,该机组尚未定型，参数可能变化。主蒸汽温度确700，过热器温度确定750。欧洲AD700计划：35MPa/700/720 美国CCT计划：35MPa/732/760 日本A-USC项目：35MPa/700/720/720中国的“700 A-USC计划”主要参考欧洲的AD700计划，因此在锅炉合金的选择性研究方面主要借鉴AD700。过热器、再热器选用Inconel740H，主蒸汽管道选用Inconel 617B。,22,700壁温锅炉合金的进展,23,700使用合金的主要成分（wt%）,700使用合金持久强度（105h外推值）,750壁温锅炉合金的进展,750使用合金的主要成分（
15、wt%）,750使用合金持久强度（105h外推值）,700 A-USC机组选材趋势,750壁温锅炉合金选用Inconel 740H，各国意见比较一致700壁温锅炉合金选材对比：CCA617B与Inconel 740H对比：740H许用应力高，可减壁厚、热加工性好，总的成本低；担心在高温长时时效态的冲击韧性低，该合金是Al、Ti形成相时效强化，焊接性能及焊后热处理可能较难。Haynes 230、HR35、HR6W对比：Haynes 230是Ni基合金，成本略高，HR35含30%Cr，抗腐蚀性好，但有-Cr相析出，影响强度，HR6W持久强度略低。GH2984、G110、Sanicro25对比：GH
16、2984成本略高，它和G110都是相强化，冲击性能较低，焊后热处理难度大，G110和Sanicro25的700持久较低。,27,3.我国高端锅炉钢国产化带来的思考,3.1中国在80年代初引进CE公司超临界机组后，开始T91钢的国产化3.2 600USC机组锅炉钢国产化的由来 上海、哈尔滨、东方三大动力集团在上世纪末分别从 西门子、三菱、日立公司引进成熟的USC机组，而机 组中选材已经确定，这就决定了我国600USC机组锅 炉钢引进国产化的道路。同时，宣告我国自行研制并 已大量应用的G102不能再采用了，只能采用日本研制 的T/P23钢和欧洲的T/P24。3.3 国产化的锅炉钢钢号 主要是T/P
17、23、T/P91、T/P92、T/P122、TP347HFG、S30432(即 Super304H)、S31042(即HR3C)。,28,（1）电力系统、机械系统、钢铁系统形成大协作、大联盟。（2）部领导的指导和支持（陆燕荪、陆延昌、徐英男、杨富）。（3）研究院校：钢铁研究总院、上海成套院、西安热工院、苏州热 工院、华北电科院、西安交大、上海大学、武汉大学等。（4）钢厂、钢管厂：宝钢、长钢、太钢、北满特钢、兴澄特钢、中 原特钢厂、成都无缝钢管厂、天津无缝钢管厂、上海钢管厂、久立钢管厂、宜兴钢管厂、武进钢管厂、华新丽华钢管厂、诚 德钢管厂、四川三洲钢管厂、金盾格洛斯钢管厂、北方重工集 团、武汉重
18、工铸锻厂、宏润重工集团、阜新电力修造厂、北京 国电富通公司、上海新亚欣公司等等。（5）锅炉厂：哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂、上海锅炉厂。（6）各电力集团和电厂。,3.4 20年大规模国产化大协作（19902010年）,29,3.5 国产化的成绩,在陆燕荪、陆延昌副部长和徐英男、杨富主任及各方主管的领导和支持下，科研院校、锅炉厂、电厂、钢厂共同合作，取得了辉煌成绩。（1）引进的国产化钢号都开展了全面深入细致的研究，在T/P92、Super304H、HR3C的研究方面处于世界领先水平；（2）钢厂、钢管厂生产的钢管经多方评审、鉴定都已达到国际先进水平，电厂长期运用效果良好；（3）在超临界、超超临界机组建
19、造过程中，国产钢管、管件解决急需有 重大贡献，在遏制进口钢管高价方面起到重大作用；（4）钢厂、钢管厂建成了配套的世界先进水平的钢管生产线；（5)在科研院所、钢厂、锅炉厂已形成了世界一流水平的庞大科研队伍、专业设备、生产线，为保证600 USC机组的建造需求，为 600/623 USC机组，700/700/720 A-USC机组的创新发展 奠定了基础。,30,（1）关于进口管和国产管的问题进口管的比例高于国产管 在超临界机组引进的初期，T/P91管全部是采购进口管，随着电厂建设规模的扩大，进口管不能满足电建的数量需要和进度，电力部门要求生产国产管，因而开展了国产化，根据2013年初不完全统计，国
20、内供应T91管11.6512万t，P91管供应16.7290万t，占国内总使用量的比例可能占30%。在USC机组中T92和P92国产管约占20%。近年来，由于新建增量减少，订货量相应减少，因而。基本上采购国外管，国内钢厂和钢管厂很难拿到订单。少量订货造成厂家价格战，低价销售恶性循环。,3.6 国产化带来的思考,31,需要区别讨论，区分厂家和供应的时间段来讨论。在国产化的初期，由于国内开展的科研和生产试制时间短、经验少，国产管的质量与国外进口管质量有差距，但是，随着国内大量深入的研究，生产厂设备提升，工艺完善，检测齐全，质量控制完善，钢管质量水平迅速提高，已经达到世界一流水平。国内生产高压无缝管
21、的钢厂，钢管厂都是经过锅炉厂评审的，生产的钢号都是通过了相应技术主管部门的技术评审鉴定的。实际上，进口钢管除了日本供应的是国内技术评审后进口的，欧洲和美国的钢管没有经过国内相关主管技术部门的技术评审或鉴定，仅仅是订货双方的技术条件，进口钢管在验收和建造过程中发现了大量问题。,（2）关于进口管和国产管的质量对比,32,火电建设虽不像军工、航天、航空那样敏感，但对中国经济至关重要，如果发生国外进口管长期不能供应，中国怎样应对？从战略安全出发，高端火电用耐热钢和合金的供应应当以我为主，进口为辅。质量问题是一个可以解决的问题，我们有世界上最先进的设备生产线，先进的生产工艺，有庞大的科研队伍，国产化的中
22、国质量已经是世界先进水平。如果没有订货，或是低于成本生产，要保证质量是不现实的。把国产管当做应急产品或是与国外谈判筹码的政策，最终会陷入困境，中国的历史上曾经发生过，那时在价格、供货周期和技术条件方面完全屈从于洋人，没有话语权。,(3)国产化为主还是应急？,33,(4)进口-国产化与创新中国钢管的关系,当年钢厂、钢管厂改造或新建专用生产线，包括材料和工艺研究，投资巨大，钢管通过各种检测考核、评审鉴定，使用情况良好，然而，近年来基本订进口管，国产管惨淡经营，甚至倒闭。在这种形势下，科研单位搞开发心有余悸，长此以往，中国在高端锅炉钢和合金方面没有话语权的局面可能再现。,34,4.结语,三十年来我国电力突飞猛进，成绩辉煌 今后的发展任务更重，2020年要达到20亿KW的装机容量，排放要低，煤耗要低，机组要更先进，钢和合金要发展，如果材料主要依靠进口，那就意味着机组很大程度上依赖国外的支撑，我们有多少主动权，这是一个值得探讨的战略性问题。希望电力部门，尤其是设计和采购方面能与特钢厂、钢管厂、锅炉厂、科研单位加强沟通，通力合作，以我为主，洋为中用，把中国的高端锅炉耐热钢和合金发展得更好，更快，满足中国创新机组的需求。,35,谢 谢！,36,
