650℃等級電站機組高溫高壓管道材料選擇研究

靳朝暉，徐梓原

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120)

0 引言

能源安全是關系國家經濟社會發展的全局性問題，我國以煤為主的資源稟賦，決定了燃煤發電仍是當前最經濟、安全、可靠的電源，在相當長時期內仍將承擔保障我國能源電力安全的重要角色。2021年，燃煤發電以不足50%的裝機占比，生產了全國60%的電量，承擔了70%的頂峰任務，發揮了保障電力安全供應的支柱作用。

國家能源局、科學技術部在《“十四五”能源領域科技創新規劃》[1]中提出：“開展700 ℃等級高溫合金材料及關鍵高溫部件的制造、加工、焊接、檢驗等關鍵技術研究；研發650 ℃等級蒸汽參數的超超臨界機組高溫材料生產及關鍵高溫部件的制造技術；開展650 ℃等級超超臨界燃煤發電機組工程示范”。其中難度最大的是用于主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道的厚壁部件耐熱材料的開發。

本文對國內外650 ℃等級機組現有材料和部分新材料的應用進行研究，提出650 ℃等級超超臨界機組高溫高壓管道材料選擇的建議。

1 650 ℃等級電站蒸汽初參數選擇

超臨界及超超臨界機組蒸汽參數對應的蒸汽密度相當高，若單機容量偏小，由此引起的汽輪機二次流、汽封泄漏等損失增加，可能抵消由于蒸汽參數提高帶來的效益。在主蒸汽參數及轉速一定的條件下，容量越大，葉片高度越高，通流效率也越高。但容量越大，轉子直徑也越大，制造難度也大幅增加。1 000 MW高壓轉子直徑約900 mm，中壓轉子直徑約1 200 mm，對于650 ℃等級的機組，考慮采用焊接轉子，按現有的制造技術可滿足1 000 MW機組的需求。從機組效率及單位造價方面考慮，建議650 ℃等級電站的機組容量采用1 000 MW。

經計算，當主蒸汽溫度從600 ℃提高到700 ℃時，汽輪機熱耗降低了2.42%。當高溫再熱蒸汽溫度從600 ℃提高到720 ℃時，汽輪機熱耗降低了2.25%。另一方面，隨著主蒸汽壓力升高，汽輪機熱耗也會下降，當主蒸汽壓力從25 MPa提高到35 MPa時，汽輪機熱耗降低了1.98%。圖1所示為蒸汽溫度不同、輸入熱量相同時蒸汽壓力對機組出力的影響。可以看出，隨著主蒸汽壓力升高，機組出力會提高，但機組效率提高的空間也越來越小。

圖1 不同初溫度下蒸汽壓力對機組出力的影響

650 ℃等級機組的參數比現有600 ℃/620 ℃等級超超臨界機組有較大幅度提高，在機組效率上提升空間很大，機組蒸汽初參數的提高則受到相關高溫耐熱材料的開發等因素限制，計算后，兼顧到高溫部件材料選用與制造、機組效率、性價比等因素，推薦機組參數見表1所列。

表1 650 ℃等級機組參數推薦表

2 650 ℃等級高溫材料的研發進展

目前國內正在研發且工程上可適用于630 ℃等級超超臨界機組主蒸汽、高溫再熱管道的材料是馬氏體耐熱鋼，牌號為G115。對于汽輪機進汽溫度為650 ℃的超超臨界機組，主蒸汽管道的設計溫度達660 ℃，高溫再熱蒸汽管道的設計溫度658 ℃，在此溫度下，G115材料已難以勝任。

綜合國內外在大口徑管道材料方面的研究成果，從持久強度、抗氧化性和焊接工藝等方面綜合考慮，650 ℃超超臨界機組可選如下材料。

1) C-HRA-2材料

C-HRA-3材料是我國針對700℃等級機組研發的鎳基材料[2]，已于2013年試制成功第一根大口徑管，目前已完成長時組織和性能穩定性試驗、高溫持久試驗、焊接試驗等應用性能研究。C-HRA-2在C-HRA-3基礎上優化了Al和Ti金屬，焊接性能更好，是專門針對650℃等級機組研發的純固溶強化型耐熱合金材料，可考慮不進行焊后熱處理，目前也已完成長時組織和性能穩定性試驗、高溫持久試驗、焊接試驗等應用性能研究。C-HRA-2材料由于減少了C-HRA-3材料中的Al和Ti元素，且制造和焊接工藝更簡單，所以成本較C-HRA-3材料低，且由于與C-HRA-3材料接近，部分數據可以參考C-HRA-3材料。研究進度也較快，目前在工信部國家新材料生產應用示范平臺項目支持下，相關研究單位聯合產業鏈單位正開展C-HRA-2材料生產應用示范線建設。

2) HR6W(47Ni -23Cr-23Fe-7W)材料

HR6W是日本公司于1986年研制成功的Fe-Ni基合金，該合金的一個顯著特點就是在成分上添加了7%W，最初作為650 ℃超超臨界機組厚壁大口徑蒸汽管道候選材料。該合金高溫長時時效組織穩定，具有良好的抗腐蝕性能和抗氧化性能；相對于大尺寸鎳基合金，具有較高的塑性、韌性、疲勞強度，良好的工藝性能及低蠕變開裂傾向，線膨脹系數小于奧氏體耐熱鋼，高溫下導熱系數大于奧氏體鋼，當溫度達到700～800 ℃時，導熱系數可超過鐵素體鋼。

3) Sanicro25(22Cr-25Ni-3.5W-3Cu)材料

Sanicro25是瑞典公司于1997年研發的一種奧氏體耐熱鋼[3]，成本比鐵鎳基合金和鎳基合金低，小口徑管道工藝成熟，可應用于650 ℃鍋爐高溫過熱器及高溫再熱器受熱面管道。目前，Sanicro25已經取得ASME標準認證，標準號為 ASME Code Case2753，也取得歐洲標準VdTuV555認證。Sanicro25是現有奧氏體鋼中，蠕變強度最高的一個鋼種，具有較好的抗蒸汽氧化和煤灰腐蝕性能，含25%Cr的Sanicro25鋼抗氧化性能與25%Cr含量的TP310N相當，遠好于其他常規奧氏體耐熱鋼，并具有良好的組織穩定性。Sanicro25具有較好的焊接性能，包括同種鋼和異種鋼焊接，焊接頭蠕變強度與母材相當。

4) HT700材料

HT700是我國于2013年開始主導開發的用于700 ℃以上機組的高溫鎳合金材料，2018年已基本完成材料的基礎研發，目前處于工程化應用階段。該鎳合金不同于常規材料，采用的不是固溶強化而是析出強化，主要元素為Ni、Fe、Cr，約占90%，其余為Wo、Mu、Al和Ti。目前HT700T小管壓力管道已通過國家有關部門技術評審。另外，在HT700的基礎上，通過調整合金元素形成了HT650合金，擬用于650 ℃等級機組。

3 650 ℃等級高溫高壓管道材料選型研究

相對于620 ℃和630 ℃超超臨界機組，650 ℃等級超超臨界機組的主蒸汽及高溫再熱蒸汽的溫度和壓力均有提升。介質的工作溫度直接決定了管道材質的選用，本節將對650 ℃等級高溫材料及高溫高壓管道的選材進行分析闡述。

3.1 高溫材料的選擇

通過對目前四種用于650℃等級機組的高溫管道材料進行調研分析，四種材料在660℃的關鍵性能對比，見表2所列。

表2 四種材料在660℃的性能對比

Sanicro25材料屬于奧氏體鋼，660 ℃時該材料的許用應力可以達 到 100.64 MPa， 線 脹 系 數 為 16.8×10-6mm/mm/℃，目前小管道試驗和研究均比較成熟。但用于大口徑管道時，由于該材料線脹系數大、徑向膨脹熱應力大、導熱系數小、脆化速度快等原因，容易爆管，不適合作為650 ℃等級超超臨界機組的主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道等厚壁部件。而鐵鎳基合金管道HR6W理論上比鎳基管道制造成本低，660 ℃時該材料的許用應力為75.8 MPa，線脹系數為15.56×10-6mm/mm/℃，均較Sanicro25小，但其目前并無應用業績，而且由于其W元素含量較高，易偏析，冶煉工藝和焊接的控制要求更高，在工程化應用中還會存在不確定的因素。因此不適合作為國內650 ℃等級超超臨界機組的高溫管道材料。C-HRA-2合金和HT700合金均由國內知名研究所研制，且已做了大量試驗和研究，可作為650 ℃等級超超臨界機組的高溫管道材料。考慮到HT700合金的研究時間相對較短，因此本文推薦C-HRA-2合金鋼作為主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道的材料。

3.2 主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道材料的選擇

根據上文所述650 ℃等級電站機組的設計參數，按照C-HRA-2合金許用應力計算的主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道規格與現有1 000 MW一次再熱620 ℃機組的對比見表3所列。

表3 1 000 MW一次再熱650 ℃機組與620 ℃機組的高溫管道規格對比

650 ℃超超臨界機組，由于機組參數提高后效率提高、蒸汽流量相應減小，可以適當降低主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道的內徑規格。采用新材料C-HRA-2后，由于新材料的許用應力較高，650℃超超臨界機組雖然主蒸汽壓力和溫度均提高，但主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道壁厚反而比現有的620℃機組的壁厚低，相應的管道重量也大幅減小，對于降低工程造價可以起到一定作用，同時管道壁厚的降低，尤其是主蒸汽管道壁厚的降低，對管道焊接及管道熱應力均有利。因此推薦選用C-HRA-2材料作為管道材料。

4 結論

對于汽輪機進汽溫度為650 ℃的超超臨界機組，主蒸汽管道的設計溫度達660 ℃，高溫再熱蒸汽管道的設計溫度658 ℃，火電機組高溫管道常用的鐵素體系鋼已無法滿足設計要求，根據目前國內外在大口徑管道材料方面的研究成果，從持久強度、抗氧化性和焊接工藝等方面綜合考慮，可能的候選材料 有C-HRA-2、HR6W、Sanicro25、HT700等，綜合考慮材料性能、管道材料費用及加工采購等因素，650 ℃等級超超臨界機組主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道材料推薦采用C-HRA-2材料，該材料在性能方面可滿足650 ℃超超臨界機組高溫管道的要求，其前期試驗工作也比較充分，目前該材料數據積累已具備技術評審條件。

650 ℃等級電站機組的主蒸汽和高溫再熱蒸管道的溫度及壓力均很高，C-HRA-2材料許用應力高，可減少管道壁厚，對管道焊接及管道熱應力控制均有利，并且可減輕管道重量，節約工程造價。

隨著C-HRA-2材料工程化應用的推進，其應用將會提升火電機組的參數到650 ℃的時代，同時可為四代核電選材提供參考，帶動我國新材料領域的發展。