超超临界发电设备用钢的国产化及其应用

超超临界发电设备用钢的国产化及其应用2009-05-121、前言我国电力工业的发展规模是从1949年新中国诞生后在党中央、国务院领导下和各地方、各行业的领导、专家工程技术人员和员工大力支持下，由1850MW基础上经过近60年几代人的艰苦奋斗，发展到2008年792.53GW规模,增长了428倍。目前稳居世界第二位，仅次于美国。技术水平也已处于世界前列。与之相应的电站用金属材料特别是高温用特种钢，超临界和超超临界用新型钢的国产化也取得了突飞猛进的进步。2、电力工业发展历程2.1、建国初期（1949～2009年）年装机容量的变化建国初期（1949～2009年）年装机容量的变化，见表1。表1我国建国初期年装机容量的变化年份装机容量GW年份装机容量GW19491.852005508197857.1220066221995≥2002007713.292000≥3002008792.532002357.22009预计86020033922020预测1400-150020044432.2、中国近20年来电力工业发展的里程碑1987年中国发电装机容量突破1亿kW；1995年3月突破2亿kW，发电1万亿kWh；2000年04月突破3亿kW，发电1.313万亿kWh；2004年05月突破4亿kW，发电2.187万亿kWh；2005年12月突破5亿kW，发电2.4万亿kWh；2006年10月突破6亿kW，发电2.834万亿kWh；2007年11月突破7亿kW，发电3.2559万亿kWh；2008年底中国发电装机容量7.9亿kW，发电达3.4334万亿kWh。2.3、我国火力发电机组的发展系列我国火力发电机组的发展系列见表2。表2：我国火力发电机组的发展系列机组系列MW蒸汽压力MPa蒸汽温度℃电厂效率%供电煤耗g/KWh备注1、中压机组(12-25)3.545027460上世纪50年代初、中期2、高压机组（50-75）951033390上世纪50年代中期至60年代中后期3、超高压机组（100-125）1353535360上世纪60年代初期至70年代中期4、亚临界机组（200-300）1753538324上世纪70年后期至80年后期5、超临界机组（600-660）25.55664130021世纪初期2004年6、超超临界机组（600-1000）2760045283.721世纪中期2006年（华能玉环电厂）7、超超临界机组（600-1000）3060048265前期在研阶段8、高超超临界机组（1000）650-70057215在研阶段2.4、我国火电机组的发展实例及参数变化1955年生产出第一台6000kW中压火电机组，蒸汽压力3.82MPa，温度450℃；1960年生产出第一台50MW高压火电机组，蒸汽压力9.80MPa，温度538℃；1966年开始生产100～200MW超高压机组，蒸汽压力13.73MPa，温度538℃；1987年投产第一台300MW亚临界机组，蒸汽压力18.28MPa，温度538℃；2004年投产第一台超临界机组（沁北），蒸汽压力24.20MPa，温度566℃；2006年第一台百万千瓦超超临界机组投产（玉环），压力26.25MPa，温度600℃。2.5、电站用钢的发展与变化2.5.1锅炉用钢主要是受热面管道、联箱、再热器、过热器、省煤器、水冷壁，以及大口径厚壁的4大管道。超临界机组锅炉用材见表3，超超临界机组锅炉用材见表4。表3：超临界机组锅炉用材组件名称主要材料牌号备注（以金相组织分类）水冷壁SA213-T12、SA213-T22P型钢过热器SA213-T12、SA213-T23、SA213-T91、SA213-TP347HP、F/M、A型钢再热器SA213-T12、SA213-T23、SA213-T91、SA213-TP304H、SA213-TP347HP、F/M、A型钢省煤器SA210CC型钢集箱或管道SA-106C；SA335-P12；SA335-P91、SA335-P92；C、P、F/M型钢分离器SA335-P91；F/M型钢表4：超超临界机组锅炉用材组件名称主要材料牌号备注（以金相组织分类）水冷壁SA213-T12、SA213-T23P型钢过热器SA213-T12、SA213-T91、SA213-T92、Super304H、Super304H(喷丸)、HR3CP、F/M、A型钢再热器SA213-T12、SA213-T23、SA213-T91、Super304H(喷丸)、HR3CP、F/M、A型及双相钢省煤器SA210CC型钢集箱或管道SA-106C、SA335-P12、SA335-P91、SA335-P92C、P、F/M型钢分离器SA335-P91F/M型钢2.5.2汽轮机用钢包括高、中、低压转子、汽缸、叶片、螺栓等，见表5。表5：汽轮机用钢超临界机组超超临界机组备注高中压转子Cr-Mo-V钢（低Si）12Cr（Cr-Mo-W-V-Nb-N）钢多元微量强化低压转子Ni-Cr-Mo-V钢超纯净Ni-Cr-Mo-V钢同上高温叶片Cr-Mo-V-Nb-N、Cr-Ni-Mo-W-V1Cr12Ni3Mo2VN钢Cr-Mo-V-Nb-N-W-Co-B、Cr-Mo-V-Nb-N-W、Cr-Mo-V-Nb-N钢同上高温紧固件（螺栓螺母）Cr-Mo-V、12Cr-Mo-W-V钢12Cr-Mo-W-V、12Cr-Mo-W-V-Nb-N、12Cr-Co-Mo-W-V-Nb-N-B钢同上高中压内外缸Cr-Mo-V铸钢Cr-Mo-V-Ti-B铸钢与12Cr铸钢同上2.5.3发电机用钢主要是发电机转子、护环等，不属于高温用特种钢，但属于高级特种钢（略）。3、发电设备材料国产化历程、现状及前景3.1起步阶段(上世纪50年代中～60年代初)这个阶段，我国先从捷克引进中压机组制造技术，接着从原苏联引进高压机组制造技术，相继生产出6MW、12MW、25MW、50MW的中、高压火电机组，参数为3.5MPa/435℃和9.0MPa/535℃，这些机组的用钢为碳钢和低合金钢，主要从前苏联、捷克东德等国进口。我国在这个阶段组建了发电设备材料的研究队伍，金属试验室在有关研究院所和工厂相继建成，高温强度试验室也在有关研究院所建成，开始对引进的部分钢号进行复核试验研究，对引进材料在我国的适用性进行分析。这个阶段为我国发电设备材料的研制和开发奠定了基础。3.2独创为主阶段(上世纪60年代初～70年代末)60年代初，中苏关系恶化，国际对我国实施禁运。为使发电设备材料立足国内，开始独立研发国产钢种。在这期间共开发研制了28个钢号，研制的28个钢号中有许多是无铬无镍耐热钢，结果违反了客观规律，很多材料不是力学性能不稳定，就是工艺性能不好，或组织稳定性差。大部分钢号只是被试用或少量采用，曾被大量采用的只有7个钢号，至今仍在使用的只有4个钢号，它们是管子用钢12Cr2MoWVTiB(钢102)，螺栓用钢20CrlMolVNbTiB和20CrlMolVTiB、焊接转子用钢25Cr2NiMoV。尽管如此，这个阶段的电站材料研发的机制有效，能够出成果，对这个阶段自行设计制造125MW、200MW超高压机组起到了积极的推动作用。在后期，随着国际禁运的松动，我国大量从德国进口发电设备材料，使用了一批德国牌号的钢材，如St45.8、13CrMo44、10CrMo910、F11(X20CrMoWV121)、F12(X20CrMoVl21)、19Mn5、BHW38、BHW35等，此外还使用了瑞典的HT7(9Cr-1Mo钢)、瑞士的17CrMolV(瑞士牌号为St560TS)。在这个阶段，我国投运了按前苏联图纸生产的l00MW高压机组、自行设计制造的125MW、200MW超高压机组和300MW亚临界机组。3.3中西结合阶段(上世纪80年代初～90年代中)这一阶段是我国以经济建设为中心，全面实行改革开放的时期，各行业积极引进西方技术。在发电设备制造方面，80年代初引进了美国CE和WH公司的300MW和600MW亚临界机组制造技术。随着机组制造技术的引进，美国的一批发电设备材料也引入我国。这次引进与50年代那次引进不同，不是全部照搬引进机组的材料，而是中西结合。根据我国当时的发电设备用材情况，在引进型机组中采用了一些经多年使用考核证明各种性能良好的成熟钢种。引进的这些钢种主要有：水冷壁、过热器、再热器管子用钢SA210C、TP304H、TP347H，管道用钢SA106B、汽包厚板用钢SA299、高中压转子用钢30CrlMolV，低压转子用钢30Cr2Ni4MoV，螺栓和叶片用钢C-422、AISI403、17-4PH、高中压内外缸用铸钢ZGCr2Mo1和ZG15Cr1Mo等。这个阶段，我国进行了大量的引进机组材料的性能研究、引进机组材料与国内原有相同用途材料的性能比较研究、引进机组材料的国产化研制、电站锅炉用钢和汽轮机用钢的系列化研究。然而，发电设备材料国产化问题在这个阶段仍没有得到根本解决，有些国产化研制成功的品种也没有形成批量生产或大批量生产，大口径钢管、汽包厚板几乎全靠进口，汽轮机、发电机转子锻件也没有完全立足国内。在这个阶段，我国投运了引进美国CE和WH公司技术生产的300MW、600MW亚临界机组。3.4体制转轨阶段(上世纪90年代中～2002年)这个阶段，我国由计划经济向市场经济大步迈进，国家政府机构实施改革，原机械部、冶金部、电力部等国家机构撤消，原部属研究院所转制，冶金企业、重型机器厂、发电设备制造厂等面临困境，企业效益大幅度滑坡。“九五”超临界机组项目因依托工程不能落实而搁浅。原有的由国家各部委组织、行业归口所牵头、国家拨经费、下项目的科研体系被打破，市场经济下的发电设备材料国产化研制体系没有形成，电站材料工作者面临无经费、无项目的尴尬境地，一些高温长时试验被迫停止，有的高温试验室已经关闭。发电设备材料的研究和国产化工作处于低潮。在这个阶段，进行的发电设备材料方面的工作，一是对国家在“八五”期间投资改造的6家冶金企业的产品进行评定，但评定后这些产品并未批量生产。二是超临界机组终于在沁北电厂落实了依托工程，开始启动超临界机组材料的研究工作，但研究经费少、研究机制存在问题。沁北超临界锅炉由日立出图、东锅制造，基本上都采用亚临界机组材料。汽轮机由三菱提供高中压部件，哈汽主要负责制造低压部分。高中压转子仍采用亚临界机组用的30CrlMo1V钢锻件，高中压内缸和主汽阀采用9％～12%Cr铸钢和锻钢，高中压叶片全部由三菱直接提供。依托工程虽然落实了，但真正需要研究的9％～12%Cr钢转子等，连试验用料都难以搞到。在这个阶段，我国火电设备制造技术至今没有明显进步，仍停留在300MW、600MW亚临界机组的水平上。而日本25MPa、600/610℃、1050MW机组已在运行，法国30.5MPa、582/600℃机组和德国29MPa、600/625℃机组即将在今明年投运。欧洲在20年以前，为实现600～620℃的超超临界火力发电，制订了COST50、COST501计划，对12%Cr钢进行研究。1998年开始实施COST522计划，有15个国家参加，目标是30MPa、650℃超超临界机组材料。以西部丹麦电力公司为中心的欧洲总部于1998年开始进行37.5MPa、700℃的超超临界火电机组材料的研究，预计在2015年完成。德国政府从1999年开始实施MARCKODE2计划，对30MPa、700℃超超临界机组材料进行研究。日本政府也已开始进行35MPa、650℃超超临界机组材料的研究。3.5抓住机遇，迎接新的挑战阶段（2002～2020年）这一阶段，既有庞大的市场需求拉动了对高等级材料的需求，也有未来更高参数的发电设备的憧憬和期望。从2002～2006年电力体制改革后，5大电力集团的成立竞争局面促使电力建设高潮如火如荼，规模达到2～3亿kW,从而促使对电站材料的庞大需求，价格水涨船高、数量供不应求，交货期一延再延，成为3大动力厂和建设方的共同瓶颈。上述情况促使国家有关部门下决心领导、组织并支