不锈钢及合金在电站锅炉中的应用与演变
Application and Evolution of Stainless Steels and Alloys in Power Boiler

(节选)
杨华春Yang Huachun,刘洪杰Liu Hongjie, 彭芳芳Peng Fangfang,杨金炳Yang Jinbin
东方锅炉(集团)股份有限公司Dongfang Boiler (Group) Co., Ltd

本文结合发电锅炉岛主设备产品结构的实际演变,回顾了所用奥氏体不锈钢及合金的变化与发展,分析了新型的高等级不锈钢及合金特点和要求,介绍了目前国内高等级不锈钢及合金的国产化技术现状,期望推动我国今后发电锅炉岛主设备用高等级不锈钢及合金的国产化。
Integrated with the actual changes of product structure, this paper briefly looks back on application and evolution of stainless steels and alloys used in main equipments of power boiler, analyses the characteristics and requirements for the new type advanced austenitic stainless steels and alloys, and describes their technical status of nationalization. It is expected this would be Benfitful for their nationalization.

电站锅炉,不锈钢,合金,国产化
Power boiler, Stainless steel, Alloy, Nationalization

1.前言
随着我国经济的大力发展,国家制定了清洁、高效的能源发展战略。我国近年提出了“大力开发水电、优化发展火电、积极发展核电、适当发展气电”的电力发展方针,以满足国民经济的可持续发展要求。
火电在我国具有特殊的重要性,占总发电量的70%以上。目前,火电优化主要是发展超(超)临界机组和循环流化床机组;核电发展则主要是建造第二代成熟的1000MW压水堆核电站、发展先进的第三代1000MW级压水堆核电站。
目前,国内发电设备行业和电力行业均积极响应国家能源政策和电力市场需求的变化,通过中外合作、技术引进和消化, 优化发展了600MW超临界锅炉、1000MW超超临界锅炉、大型循环流化床锅炉等大容量、高参数锅炉,积极推进1000MW压水堆核电主设备等新产品的生产,并形成了批量生产的能力。这些产品符合国家产业政策和市场需求,而发展这些产品也是我国今后相当长时间的产业目标。
然而,超(超)临界机组下的蒸汽参数、循环流化床机组的参数和运行环境、以及核电站核岛部件的腐蚀、放射工作环境,对用材提出了更高要求。因而不断发展高强度、耐腐蚀的高温材料,是发展新一代发电设备的前提条件。
的确,大容量高参数锅炉的迅猛发展和核电设备的批量生产,使得产品用材结构发生了根本性的变化,大量高等级新材料在产品上得以应用。这些新材料目前大多依赖进口,材料问题成了制约我国电力事业发展的瓶颈。因此,电力行业、发电设备行业与冶金行业一起密切合作,加快新材料国产化的研发进程,将成为打破国外技术的垄断、改变电站材料开发相对滞后于电站设备开发的局面的最重要、最理想的途径。
基于此,本文结合我公司火电与核电主设备产品变化中对所使用的特殊钢的演变,介绍和分析新型的高等级不锈钢和合金的特点和要求,期望有助于我国此类材料的国产化。

2.火电锅炉技术的进步推动耐热不锈钢的发展
锅炉是热能转换设备,能量转换的效率随着锅炉参数的提高而提高。为了进一步提高热效率,必然要求提高锅炉蒸汽参数,但蒸汽参数的提高受到材料发展的制约。这是因为锅炉是高温和压力下长期工作的设备,对高温材料有着极高的性能要求,除具有良好的常规力学性能和工艺性能外,还应具有在相应温度下良好的抗氧化性、抗蠕变能力和组织稳定性。
回顾发电锅炉技术的发展历程,锅炉制造技术的发展总是与钢铁技术的发展紧密相连,发电机组参数每提高一步,必然伴随着性能优良的新材料的成功应用。上世纪五、六十年代锅炉参数在500℃左右,产生了以15CrMo、12Cr1MoV为代表的低合金热强钢,到七、八十年代进入亚临界锅炉时期(蒸汽参数在540℃左右)产生了以T91为代表的改良9Cr类热强钢,到八十年代以后,超(超)临界机组的需要,则促使钢铁行业开发了SUPER304H、HR3C为代表的新型耐热不锈钢。现在欧洲正在开发镍基合金的锅炉用管,以适应未来蒸汽参数700℃以上锅炉的需要。材料技术的发展是发电设备制造技术发展的基础。
上世纪90年代初以前,我国火电机组锅炉以亚临界锅炉为主,亚临界锅炉的出口蒸汽温度不超过540℃,锅炉高温材料大量使用的是低合金热强钢和部分9Cr级马氏体钢,极少使用不锈钢,一台300MW亚临界锅炉不锈钢用量一般不超过20吨。到上世纪90年代后期,我国从国外引进了600MW~1000MW机组锅炉设计和制造技术,蒸汽温度提高到了570℃~600℃左右,此时,常规铁素体类(包括9Cr级马氏体钢)钢所具有的高温持久强度、向火面耐腐蚀和蒸汽侧抗氧化性能已无法胜任如此高温、高压、烟气腐蚀、蒸汽氧化的环境,必须采用奥氏体不锈钢,而且奥氏体钢也在向更高等级发展。因而,蒸汽参数的变化导致不锈钢在锅炉中所占比例急剧增加。
表1列出了我公司不同炉型锅炉的不锈钢用量,图1反映了锅炉燃烧煤耗与不锈钢用量的关系。可以看出,随着锅炉参数提高,锅炉燃烧效率提高,锅炉煤耗下降,不锈钢用量明显增加。图2则示出了东方锅炉近年不锈钢用量,可以看出:不锈钢用量呈现出明显的增加趋势。
表1:不同炉型的受压件不锈钢管牌号与用量

锅炉炉型

200MW亚临界

300MW亚临界

600MW超临界

1000MW超超临界

参数

13.7MPa/540℃

17.5MPa/540℃

25.4MPa/571℃

27.56MPa/605℃

发电标准煤耗(克/千瓦时)

350

335

312

285

不锈钢管用量

10吨

20吨

500吨

650吨


图1:锅炉发电煤耗与不锈钢管用量的关系

图2:东方锅炉近年锅炉及容器用不锈钢用量(吨)
目前国内火电站建设形势良好,发电设备制造企业对高等级不锈钢的需求量将保持较高的水平。不锈钢材料大量从国外进口、资源有限,严重制约着电力装备制造的发展和产品技术的升级换代。

3.核电设备对不锈钢及合金的需求
(略)

4.高等级不锈钢及合金的特点和要求
(略)

5.国内发电设备用高等级不锈钢及合金的技术现状
5.1.火电用新型高等级不锈钢管
(略)
5.2.核电蒸汽发生器用690(TT)合金“U”型管
(略)

6.结束语
随着我国对高效洁净能源的要求日益增长,火电超超临界机组和核电站将会越来越多,随之对高等级材料需求也不断增加。由于高等级原材料的生产要求较高,生产厂家有限、发电设备市场需求旺盛,导致采购成本高昂、交货期长,像SUPER304H、HR3C等不锈钢和690(TT)合金“U”型管的采购,困扰着国内发电设备制造企业。要解决这一难题,国产化是唯一的途径。经过前期的艰辛努力,目前这些材料的国产化工作已经取得了一定进展,但限于基础研究不足、冶金技术、制造设备、制造工艺、生产经验的问题,试制出来的样品性能与进口产品相比较还有一定差距。同时,锅炉最终用户――电力部门也对国产新材料心存疑虑,导致新材料国产化进展不尽人意。
东方锅炉一直是材料国产化的积极倡导者,从七十年代的102钢研制到八、九十年代ASME材料国产化,再到现在的新型奥氏体钢的国产化,东方锅炉都与国内钢铁研究机构和不少钢铁企业有过成功合作的经验和成果。我们非常愿意与冶金行业加强沟通和合作,共同面对和解决材料国产化中的困难,为民族工业的发展做出自己的努力。同时,我们希望国家制定相关政策来鼓励新材料的国产化应用,也希望电力部门以更加积极的眼光看待国产材料。通过我们各方的共同努力、参与,加快这类材料的国产化进程,打破国外的垄断,满足我国发电设备行业发展的需要。
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