G115耐热钢应用于超600_超超临界火电机组_刘正东

世界金属导报/2015年/6月/16日/第B12版品种质量G115耐热钢应用于超600℃超超临界火电机组刘正东包汉生徐松乾王起江严鹏时于超600℃超超临界火电机组使用的新一代高效清洁燃煤发电技术而言,其最大的瓶颈就是耐热合金及其部件的研制，从性能和成本等多重因素考虑，提升马氏体耐热钢使用温度上限是解决这一问题的关键钢铁研究总院和宝钢在国内率先开展相关研究工作，其研制的650℃马氏体耐热钢代号为G115钢G115钢650℃温度下其持久强度是P92钢的1.5倍，其抗高温蒸汽氧化性能和可焊性与P92钢相当，有潜力应用于620-650℃温度段大口径管和集箱等厚壁部件以及620-650℃小口径过热器和再热嚣管的制造。

也就是说G115钢管是迄今研制的具有最高持久性能和抗蒸汽腐蚀性能匹配的可用于650℃的大口径锅炉管。

本文讲述了G115钢管的成分设计、工业试制、性能水平、应用效果等。

1G115钢管的研发背景火电机组蒸汽参数越高，电厂效率越高，供电煤耗越低，排放就越少。

图1为1950-2020年中国火电机组蒸汽参数发展历史和预测情况。

2003年中国开始发展600℃超超临界火电机组，该型电站建设用的高端锅炉管T23、T/P91、T/P92、S30432和S31042均需要从日本和欧美进口，这推高了电站成本，制约中国先进电站的建设进程。

在此情况下，国家科技部从2003年开始组织钢铁研究总院(现为中国钢研科技集团)、宝钢集团、哈尔滨锅炉厂等单位组成联合攻关组，研发国产高端锅炉管。

经过十余年的艰苦努力，截至2013年中国的冶金企业已经全面实现了T23、T/P91、T/P92、S30432和S31042等高端锅炉管的自主化生产，产品大批量供应国内外市场。

自2006年11月我国第一台600℃超超临界火电机组投入，到2014年底，国内火电装机容量9.157亿千瓦，我国电力总装机13.602亿千瓦，火电占电力总装机容量的67.4%。

我国已投运和在建的超超临界机组目前占我国火电装机容量的比例为14.2%，但1.224亿千瓦的超超临界机组装机容量已占全球已有超超临界机组的84%，中国已经发展成为拥有先进燃煤发电技术的国家。

据经合组织(OCED)数据，钢铁工业C02、SO2和NOx排放分别仅占全球总排放量的6.15%、7.4%和5.9%，而火电机组CO2、SO2和NOx排放分别占总排放量的41%、46%和49%。

一般而言，燃烧1吨煤产生2.6吨左右的CO2。

实践证明超超临界火电站对实现我国节能减排战略目标具有决定性作用。

在充分挖掘现有耐热钢潜力的基础上，哈尔滨锅炉厂在华能集团浙江长兴电厂建设了蒸汽压力29.3MPa、蒸汽温度600℃、再热温度623℃的660MW高效超超临界火电机组，该机组已于2014年12月17日投入商业化运行。

该机组热效率达到46%，供电煤耗278g/kWh，比常规超超临界火电机组的热效率高近2%，发电煤耗减少9g/kWh，每年可节约电煤3万吨，减排CO2约10万吨。

实际上，再热温度620℃等级的高效超超临界火电机组在中国已经进入批量建设阶段。

2015年4月神华集团高资电厂计划新建的高效超超临界火电机组的设计蒸汽压力为35MPa、蒸汽℃℃℃，该参数再次刷新了商用超超临界火电机组运行温度上限。

温度为610/630/630700℃超超临界技术是欧—美—日—韩—中正在研发的新一代高效清洁燃煤发电技术，耐热合金及其部件研制是该技术的瓶颈问题，是世界性技术难题。

700℃超超临界电站较600℃机组热效率提高10%(达到46%以上)，进一步降低约40g/kWh煤耗，进一步降低10%以上的C02、SO2等污染物排放，具有十分巨大的经济和社会效益。

因此，中国正在大力研发700℃燃煤发电技术，力争使我国高效清洁燃煤发电技术早日跃居世界领先水平。

600℃超超临界火电机组商业化应用后，国内外研究人员都把目标转向了600℃以上更高参数的火电机组。

截至目前，已经大批量使用的马氏体耐热钢T/P92的使用温度上限就是600℃蒸汽温度，超过这一温度T/P92将面临持久强度不足和抗环境腐蚀(流动的超超临界蒸汽和/或多种煤灰腐蚀)性能不足的问题。

对于小口径锅炉管系，在T92之上可以采用奥氏体耐热钢管制造过热器和再热器，奥氏体耐热钢管可以在600-650℃蒸汽温度段使用。

但是奥氏体耐热钢只能用于小口径锅炉管制造，由于其热传导性能差和热膨胀系数大，不能用于制造大口径锅炉管和其他大型厚壁构件。

如用铁镍基或镍基耐热合金制造600-650℃温度段的大口径锅炉管，则成本过高。

因此，急需研发可用于600-650℃温度段大口径锅炉管和大型厚壁构件，以使超600℃等级超超临界火电机组的批量建设具有经济性和可行性，或者可以说，提升马氏体耐热钢使用温度上限是研发超600℃等级超超临界火电机组的瓶颈性问题之一。

2G115钢管研发历程和进展2.1G115钢管成分设计日本国立物质材料研究所(NIMS)较早开始研究新型马氏体耐热钢，钢铁研究总院和宝钢在国内率先开展相关研究工作，日本新日铁住金公司也在该领域开展了研究工作。

NIMS开发的650℃马氏体耐热钢代号为MARBN钢(9Cr-3W-3CoVNbBN)，钢铁研究总院研制的650℃马氏体耐热钢代号为G115钢(9Cr-2.8W-3GoCuVNbBN)，日本新日铁住金的马氏体耐热钢代号为SA VEl2AD(9Cr-3W-3CoNdVNbBN)。

新日铁住金早期研发的650℃耐热钢为含10.5%-12%Cr的SA VEl2钢，高Cr含量主要是考虑提升马氏钢的抗蒸汽腐蚀性能。

然而，经过几年的实践，发现SA VEl2钢的持久强度过低，无法满足630-650℃温度区间使用要求，新日铁住金只能降低Cr含量，采用与NIMS和我国G115钢相同的9%Cr成分体系，即新日铁住金走了一段弯路，最终把SA VEl2改进成SA VEl2AD，申报了ASME规范案例，准备把SA VEl2AD推向应用阶段。

G115钢是由钢铁研究总院和宝钢共同研发的具有自主知识产权的650℃马氏体耐热钢(专利号CNl03045962B)。

在研发该钢管过程中，采用了“选择性强化”设计理念，通过合理控制B和N 的配比有效控制M2aC6碳化物在服役过程中的长大速率，在Nb和V之外通过添加适量Cu元素进一步增加析出强化效果，通过把W含量从3%调低到2.8%，来提高服役过程中的冲击韧性。

G115钢具有优异的620-650℃温度区间组织稳定性能，650℃温度下其持久强度是P92钢的1.5倍，其抗高温蒸汽氧化性能和可焊性与P92钢相当，有潜力应用于620-650℃温度段大口径管和集箱等厚壁部件以及620-650℃小口径过热器和再热器管的制造。

2.2G115钢管研制历程2007年起，钢铁研究总院依托科技部国际合作项目“650℃蒸汽参数超超临界火电机组锅炉钢品种研发和性能研究”，开展了9%/12%/15%Cr含量650℃耐热钢的成分优化和品种筛选的探索研究，确定了发展9%Cr含量650℃马氏耐热钢的方向和基本化学成分体系。

2009年起，依托科技部973计划“耐高温马氏体钢的组织稳定性基础研究”课题，开展了9%Cr含量650℃马氏体耐热钢的高温组织稳定性的基础研究，提出了650℃马氏体耐热钢的“选择性强化设计理论”，成功开发出G115原型钢，原型钢的650℃持久强度优于日本MARBN钢，并申报国家发明专利。

2012年起，依托科技部863计划“先进超超临界火电机组关键锅炉管开发”项目，开展了G115钢厚壁大口径管的研发，解决了工业生产过程中的一系列问题，已经具备了生产外径尺寸19-1200rmm，壁厚2-100mm全谱系锅炉管的能力。

2014年11月，G115钢获得国家发明专利授权“一种650℃蒸汽温度超超临界火电机组用钢”，专利号为CN103045962B。

2.3G115钢管工业试制2008-2015年间，钢铁研究总院和宝钢已经进行了四轮次G115钢管的工业试制，其中，两次小口径管工业试制，两次大口径管工业试制，见表1。

已经掌握了G115钢的各种工业冶炼流程的冶炼工艺、热加工工艺、冷加工工艺、热处理工艺。

2015年5月，宝钢采用40吨EAF+LF+VD流程，成功冶炼了40吨G115钢锭，经开坯处理后试制规格至(?)610mm×90mm等系列尺寸规格的大口径管和小口径管。

宝钢计划2015年年内再冶炼一炉40吨级G115钢锭，以固化电炉冶炼过程工艺。

如果未来G115钢市场需求大，宝钢可以采用300吨转炉工业流程冶炼G115钢坯。

2.4工业试制G115钢管性能水平表2给出了几种马氏体耐热钢在650℃、105h的持久强度，T/P91和T/P92的数据来源于公开发表的资料，G115钢的数据是(?)254mm大口径管取样后由钢铁研究总院和宝钢平行测试(见图2)。

宝钢还有大部分应力点正在测试，各温度下预期持久断裂时间3-5万小时的应力点也在测试中。

SA VEl2AD的数据来源于日本企业发布的数据。

从表2可以看出，G115钢的650℃持久强度是P92钢的1.5倍以上，也高于日本的SA VEl2AD钢。

对比G115钢与T/P91和T/P92的持久强度，从图2中可以看出G115钢650℃持久性能明显优于T/P92钢，而且G115钢管的持久断裂时间的演变趋势稳定，不存在持久曲线突然下降的现象，说明G115钢管的微观组织稳定。

再对MARBN、G115和SA VEl2AD三种650℃马氏体耐热钢的持久强度进行比较，见图3。

MARBN钢公开数据较少，本文使用的是MARBN钢实验室小钢锭的数据，G115钢的数据是工业生产产品测试数据。

从数据上看，G115钢管的持久强度与MARBN钢相当，根据目前最长点2万小时的数据，G115钢管的持久性能优于SA VEl2AD钢管。

除了上述对比的650℃持久强度数据外，G115钢的600℃、625℃、650℃和675℃的系列持久试验仍在进行中，图4为正在进行的G115钢管持久试验。

图5为工业试制G115钢管的650℃抗蒸汽腐蚀性能与P92和T122钢管的比较，G115钢的抗蒸汽腐蚀性能与P92钢相当。

已在上海锅炉厂进行了两轮次G115钢焊接工艺试验。

一轮次为G115钢试板，另一轮次为G115钢51mm×10mmm小口径管。

该钢的可焊性与P92钢相当，焊接接头的常规性能评定均合格。

后续将对G115钢的同种焊和异种焊的焊接接头高温持久强度进行评价。

3G115钢管应用效果及标准化G115钢管是迄今研制的具有最高持久性能和抗蒸汽腐蚀性能匹配的可用于650℃的大口径锅炉管。

如采用G115替代目前用于600-620℃温度区间使用的P92钢管，锅炉管的壁厚可大幅度减薄，大幅度降低焊接难度。