超超临界机组材料国内研制及其问题思考

超超临界机组新型钢国产化研讨会超超临界机组材料国内研制及其问题思考上海发电设备成套设计研究院林富生2009.04.01于扬州超超临界机组材料国内研制及其问题思考一、前言二、超超临界机组材料国内研制三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化四、问题思考一、前言•节能、减排、降本，要求火电机组提高效率，促进了超临界、超超临界机组的发展；•“十五”期间，我国经济快速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求快速增长，以至于造成严重缺电，这直接推动了超临界、超超临界机组的非常规快速发展；•由于超临界、超超临界机组的快速发展，关键材料主要靠进口且需求量大，国外供货商延长供货周期，并趁机大幅度提高价格，造成机组制造成本大幅度提高；一、前言•在这样的背景下，我国终于有了比较统一的认识：超超临界机组关键材料必须国产化；•机组参数的进一步提高，受到材料的制约；T/P122、T/P92许用应力的降低，使越来越多的人认识到：材料是发展超超临界机组的关键二、超超临界机组材料国内研制（一）政府立项研制1.“十五”项目：超临界机组材料和铸锻件国产化实现T91钢管国产完善化实现叶片螺栓材料1Cr11MoNiW1VNbN钢的国产化实现ZG1Cr10MoVNbN钢汽轮机内缸国产化国产P91钢管试制低压转子超纯材料研制高（中）压转子材料研究Super304H钢国产化研究二、超超临界机组材料国内研制（一）政府立项研制2.“863”计划：超超临界机组材料研究叶片材料12CrMoVWCoNbBN钢国产化研究低压超纯转子材料研究12％Cr高（中）压转子材料研究Super304H钢国产化研究等等二、超超临界机组材料国内研制（一）政府立项研制3.上海市重大项目“电站装备用特种材料研究与开发”试制成功1Cr10Mo1W1NiVNbN钢电渣重熔转子实现ZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbN钢中压内缸国产化实现TP347H及TP347HFG钢管国产化实现1Cr10NiMoW2VNbN叶片螺栓钢国产化实现发电机用1Cr18Mn12Ni2N钢穿心螺杆国产化（二）企业自发研制下列部件材料具备国产化能力部件材料末级过热器、再热器T91，T92，TP347HFGSuper304H,集箱、蒸汽管道P91，P92高中压转子1Cr10Mo1W1NiVNbN1Cr10Mo1VNbN高中压内缸(铸件)ZG1Cr10MoVNbNZG12Cr10W1Mo1MnNiVNbN高温段叶片1Cr11MoNiW1VNbN1Cr10NiMoW2VNbNNiCr20TiAl汽缸螺栓1Cr10NiMoW2VNbN,低压转子3.5NiCrMoV,超纯3.5NiCrMoV三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化•人们通过热处理等工艺手段获得材料良好的综合力学性能，满足使用要求。而处于这种状态材料的组织是非平衡组织。•由热力学可知，非平衡组织始终存在向平衡组织转变的趋势。一旦驱动力足够大，这种转变就会进行。温度越高，这种驱动力越大，这种转变越容易进行。三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化•材料在高温下长期服役，其组织是在慢慢向平衡组织演变的，而组织的变化必然导致材料性能的变化。这就是为什么材料在高温下长期服役过程中性能恶化的原因。•材料工作者的根本任务是运用各种强化机制，研制出满足使用要求的材料。设法增加材料在使用过程中向平衡组织转变的阻力，延长向平衡组织转变的过程，保证材料在设计寿命内，具有足够的性能满足使用要求。三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化•位错密度降低、亚晶长大、基体中固溶元素含量下降、第二相粒子粗化、细小颗粒数量减少，都导致抗蠕变性能下降；•MX和M23C6是9～12％Cr钢的主要强化相；•Laves相析出初期起强化作用，但尺寸不稳定，Laves相的粗化降低蠕变强度；三、材料在长期服役过程中的组织与性能变化•Z相的析出伴随MX相的溶解，且长大倾向大，它的析出与长大明显降低蠕变强度；•在9～12％Cr钢中加入适量的B可强化晶界，稳定M23C6，对长期组织的稳定有明显的作用。2.3高温蒸汽氧化30Cr1Mo1V钢转子在蠕变过程中形成的空洞TP304H时效后析出的M23C6与σ相TP304H时效后析出的σ相国产T92经649℃持久后，92MPa×5165h国产T92经649℃持久后，85MPa×12430h国产ZG1Cr10MoVNbN铸钢566℃下12439.9h观察到的Laves相TP347H晶界上在M23C6与σ相处形成的蠕变空洞与裂纹四、问题思考1.基础研究薄弱例如：对耐热钢的强化机理，合金元素的作用，冶炼、热加工和热处理工艺对组织性能的影响等基础性研究不够，试制带有一定的盲目性。上世纪90年代初，国内好几家厂试制T91钢管，虽然成分和室温性能与住友实物相近，但持久性能，特别是持久塑性明显比住友钢管差，时效后冲击值的降低幅度明显大于住友钢管。住友铁素体与碳化物分布形貌国产呈链状析出的碳化物四、问题思考2.缺乏规划与研究的连续性“六五”期间国内试制了TP304H、TP347H钢管，并进行了性能研究。课题结束后，国产化的工作也停止了。“十五”的课题也面临这样的问题。四、问题思考3.长时性能试验不够规范高温长时性能试验不规范主要表现在：数据不足且不完整；单点试验时间短；试验的炉批次不够等。四、问题思考4.建立以国家为主导，产学研相结合的发电设备材料研制体系，以体制机制保证长期研发经费的落实、促进产学研的长期合作。发电设备材料从开发、研制到正式使用，一般需要10～20年的时间,必须进行长时的高温性能试验，研制周期长、耗资大。纯市场行为是很难长期坚持的。四、问题思考5.形成我国自己的超超临界机组用材体系发电设备材料研制周期长，试验研究费用高，不能对各厂使用的不同体系的各种材料都进行国产化研制和试验研究。对用途相同、成分相近的钢种进行优选，形成我国自己的用钢系列是十分必要的。设备制造厂之间的市场竞争不要放在材料上。四、问题思考6.对优选的关键材料，集中资源，分工合作，成果共享，尽快实现国产化。产学研之间、冶金企业之间、重型厂之间应分工合作，联合攻关，成果共享，降低试制成本，实现互赢。在试制出合格产品的层面上不要搞竞争，在进一步提高产品质量上再去竞争。四、问题思考7.抓紧开展下一代超超临界机组材料的研究我国的超超临界机组不会只停留在600℃，现在欧洲正在实施AD700℃计划，美国实施760℃计划，日本从2008年开始ADUSC700℃计划。我国应吸取教训，早作准备。谢谢大家！