700℃级先进煤电高温构件选材与连接评价技术研究进展

为适应700℃等级先进超超临界燃煤发电(700℃A-USC)机组严苛的服役环境,助力高效低碳燃煤发电技术的发展,高温合金拟被用于制造电站锅炉和汽轮机的高温构件。结合本国火电发展特点,美国、欧洲、日本、中国、印度等国家及地区先后提出并实施了具有各国特色的700℃技术研究计划。高温合金由于元素种类多、焊接难度大、产生焊接缺陷的倾向大,因此焊接技术和接头综合性能评价技术对高温构件的厂内制造、现场加工与修复以及服役安全性与完整性的影响重大。当前国内外700℃技术实际应用进展缓慢,主要原因是制造、连接、检测等技术障碍未完全解决。综述了国内外700℃技术的研究计划,并分析其发展前景,讨论了锅炉侧和汽轮机侧高温构件的选材现状,总结了当前高温合金焊接技术的现状与优缺点,分析了高温构件接头综合性能评价的关注重点,最后提出中国发展700℃技术的建议。

700℃实炉验证试验平台过热试件热流密度测量及壁温分布研究

随着锅炉主蒸汽参数的提高,炉内受热面壁温的监测对于安全运行日益重要,并且有利于根据壁温分布进行选材,降低造价。南京电厂700℃验证试验平台炉内过热试件分布着12个牌号的材料,掌握锅炉管壁温分布及其随负荷变化的规律,是准确分析材料验证情况的基础。采用火焰强度热流计对炉内热流密度的空间分布进行实际测量,结合受热面进出口蒸汽参数的实际测量结果,对炉内壁温分布进行计算,结果表明:过热试件不同方向的热流密度在15~180kW/m^(2)范围内,并呈现明显的规律性,其中收到来自前方的热流密度最大、下方的热流密度其次,并且屏底热流密度最高、炉顶位置热流密度最低,屏底水平管平均热流密度约为垂直管的1.3倍。根据热流密度空间分布测量结果计算的过热试件壁温沿着蒸汽流程方向快速增加,在屏底位置出现一个小的峰值,然后增速放缓、最后在靠近管屏出口处略有下降;而管壁和蒸汽温差呈现先增加后减少、并在屏底出现明显峰值的现象,最外侧管屏底最大温差达到约88℃,屏顶温差则降低到约25℃。锅炉负荷越高,热流密度越大,同时壁温沿程增长速率越高。炉内壁温测量元件与壁温计算结果的最大温度偏差小于2%,两者具有良好的一致性。根据壁温计算结果对过热试件进行选材,约有51.2%的锅炉管须采用镍基合金材料,相比全部采用镍基合金材料可大幅降低成本。

700℃超超临界机组用Alloy 617 mod时效析出相

研究了Alloy617mod在750℃下时效3000h过程的析出相种类及其对室温硬度和冲击性能的影响。Alloy617mod时效后析出M23C6碳化物和γ′相。随时效时间延长，晶内、晶界析出物数量增多，晶界碳化物尺寸和分布无明显变化。经300h时效后，M23C6和γ′相产生析出强化，提高了合金硬度。晶界碳化物导致界面结合强度降低，晶界成为裂纹的发源地，引起冲击吸收能量降低。时效过程γ′相与基体相保持共格关系，产生共格应力，有利于硬度提高；同时γ′相析出强化使晶界附近难以协调塑性变形，易导致开裂，也引起冲击吸收能量降低。时效300-3000h过程的时效态Alloy617mod硬度和冲击吸收能量分别为207-214HB和75～83J，具有良好的稳定性。

700℃超超临界燃煤发电技术研究现状

700℃超超临界燃煤发电技术(700℃技术)能够大幅提高机组的发电效率,实现节能减排及温室气体的控制排放,具有十分重要的战略意义。本文提出并分析了发展700℃技术需要解决的关键问题,包括高温合金材料研制、锅炉和汽轮机关键高温部件的加工制造、高温阀门制造、高温材料及关键部件的实炉验证、700℃超超临界示范电站的设计、建造及运行等。目前,国内700℃技术的研发正在按照计划稳步进行,在镍基高温材料研制、关键部件的生产制造、主机方案研究、关键部件验证试验平台的建设等方面均已取得阶段性进展,通过研发掌握700℃技术,将大大推动我国的材料工业、电力工业及装备制造工业的发展。

700℃超超临界燃煤发电机组材料研发现状

介绍700℃超超临界燃煤发电机组高温材料的研发现状,同时介绍了与高温材料相关的焊接、高温涂层和冷却技术的研究情况。欧洲、日本、美国对铁素体钢、奥氏体钢以及镍基合金3类高温材料进行了性能测试及筛选,同时致力于新型高温材料的开发,取得了一定的研究成果。欧洲、日本在镍基合金与铁素体钢之间的焊接技术方面开展了相关研究,美国研究并制定了不同合金的焊接工艺。美国、欧洲在高温涂层方面也开展了研究工作,其中,热障涂层技术将有可能在700℃超超临界燃煤发电机组汽轮机中得到应用。冷却技术方面,欧洲、日本对蒸汽冷却和新型网格夹芯材料冷却进行了研究。

700℃超超临界火电机组用高温材料研究进展

综述了当前世界各国重点研究的700℃超超临界火力发电机组锅炉用水冷壁、过(再)热器、主蒸汽管道及高温出口集箱用高温材料的显微组织、性能现状及研究进展。对于水冷壁可选用HCM12钢和Inconel 617合金作为其高温段备选材料;Inconel 740合金改良后制得的Inconel740H合金因具有优良的持久蠕变强度和焊接性能,应是高温过(再)热器、主蒸汽管道及高温出口集箱的主要备选材料。今后的研究应通过实践进一步验证上述材料的高温持久强度及蠕变强度,并探索合理的热加工工艺,提高其热加工性能和焊接性能,降低材料的成本。

700℃先进超超临界机组末级过热器用新型镍铁基高温合金的组织与性能

研究了700℃先进超超临界(A-USC)机组末级过热器用新型镍铁基HT700T高温合金的组织和性能。结果表明:HT700T合金为析出强化型合金,在750℃的组织稳定性较好;合金在750℃时的屈服强度为598 MPa,且热暴露3000 h后其屈服强度仍约为400 MPa;合金在750℃/105h的持久强度为103 MPa;在750℃热暴露104h后,室温冲击功为50 J·cm-2,较热暴露前的略有下降;合金的750℃抗蒸汽氧化性能达到完全抗氧化级,在750℃/2×105h模拟烟灰/烟气条件下的金属腐蚀深度约为0.2 mm;HT700T合金的综合性能基本满足700℃A-USC机组末级过热器的服役性能要求,其工业试制锅炉管已在试验平台上正常运行超过15000 h。

700℃超超临界燃煤发电机组关键部件验证试验平台控制系统设计

为使我国首个700℃超超临界燃煤发电机组关键部件验证试验平台能够安全、高效、长周期运行,结合日立H5000M DCS特点,设计了该机组关键部件验证试验平台控制系统,通过分析项目组态、调试过程中遇到的问题,完善了控制系统功能设计,建立了有效的控制运行策略。经现场冷态调试及热态调试,该控制系统超调在0.5%以内,响应时间为60s,升温速率为2~3℃/min,控制效果良好。目前,试验平台已通过168h试运行,系统整体运行平稳,控制系统的稳定性和调节性良好,自动投用率达到100%,联锁投入率达到100%。

太钢700℃超超临界电站锅炉用TG700C新型耐热无缝管的开发

太钢通过对成分进行优化设计，采用原料→电炉冶炼→AOD精炼→LF处理→模注→锻造→热挤压→冷轧→热处理→检验的工艺路线，开发出了不同规格的小口径TG700C新型耐热无缝管，其成分、晶粒度、夹杂、常温力学性能、高温力学性能、高温持久性能等各项指标均满足ASMESA-213M的相关标准要求，可应用于600-700℃超超临界电站锅炉过热器、再热器等关键部件。

700℃长时时效对FGH97合金组织与力学性能的影响

针对涡轮盘的使用温度,研究了FGH97合金在700℃度下长时时效过程中的显微组织和力学性能变化。利用扫描电镜、物理化学相分析、热力学计算等方法研究了长时时效处理过程中析出相的演变。结果表明,合金中的一次和二γ'相组织稳定性良好,三次γ'相发生了较明显的粗化,合金中未发现明显的的TCP相析出。对合金2000 h和5000 h长时时效处理后的力学性能测试表明,长时时效后合金的综合力学性能优异。

700℃级超超临界电站候选材料热力学评估及成分设计

根据对700℃级超超临界电站关键部件材料性能的要求,通过材料热力学模拟软件JMatPro8.0及相应的镍基高温合金数据库,研究了6种现有的700℃级电站关键部件高温合金的平衡相与高温力学性能,并对比分析了3种新设计的镍铁基合金性能。结果表明:IN740H合金的平衡相和高温力学性能最优;CCA617合金持久强度不能满足要求;IN706、TOS1X、USC141和GH2984合金的热力学平衡相中均有TCP相析出,组织稳定性较差;新设计的镍铁基合金性能满足要求,组织稳定性好,且镍铁基合金中大量Fe元素取代了Ni、Co,进一步降低了合金成本。

700℃关键部件验证试验平台用617B合金焊接接头组织和力学性能研究

采用热丝TIG焊和手工TIG焊分别对617B合金进行焊接工艺试验,对焊接接头进行拉伸、弯曲和硬度试验,并利用光学显微镜分析了焊接接头的微观组织.结果表明:617B合金焊接接头的延展性能良好,焊接接头力学性能和硬度值均在理想范围内;焊接接头母材和热影响区组织为单一奥氏体,并且热影响区热稳定性较好,靠近熔合区的晶粒未发现长大现象,整个热影响区宽度较窄;焊缝组织为典型的胞状枝晶形态.控制层间温度和工艺参数可成功将617B合金应用到700℃关键部件验证试验平台上,且不需要焊后热处理.

C-HRA-1锅炉管在700℃实炉条件下的力学性能及组织演变研究

为进一步评估C-HRA-1锅炉管在700℃先进超超临界(advanced ultra-supercritical,A-USC)火电机组高温受热面中的适用性,对华能南京电厂700℃关键部件试验验证平台上服役的C-HRA-1合金管样进行定期取样和检测分析。结合材料的力学性能测试、显微组织分析和内外壁形貌表征,对最长运行时间达35573h的4组C-HRA-1合金受热面管进行对比研究。结果表明,C-HRA-1锅炉管在室温、700℃高温拉伸的规定塑性延伸强度、抗拉强度和布氏硬度均在服役10523h时达到最大值,然后随服役时间增长逐渐下降,同时冲击性能等也在服役10523h后较备品有明显降低;随后均随服役时间延长缓慢变化。显微组织中的γ′强化相的粗化动力学过程符合LSW理论,内外壁氧化腐蚀层的增厚以高温氧化为主。结果可知,C-HRA-1合金作为700℃A-USC机组高温候选材料,在服役35573h间表现出较好的力学性能和显微组织稳定性。

700℃超超临界机组锅炉用617B合金的烟气腐蚀行为研究

使用自制的烟气腐蚀试验装置,在模拟燃用贵州六枝烟煤的烟气/煤灰环境中,研究700℃时617B合金的腐蚀行为。通过光学显微镜、扫描电镜、X射线能谱和X射线衍射,对617B合金的腐蚀层形貌、成分和物相组成进行分析。结果表明:试验前120h,617B合金表面生成了具有保护作用的Cr2O3保护膜,腐蚀速率低;之后,腐蚀速率增大,腐蚀层物相主要为NiCr2O4和少量的CoCr2O4。

Ag-Pd-5Ru-Gd四元系部分相图的700℃等温截面

在Ag Pd Gd ,Ag Pd Ru ,Ag Ru Gd和Pd Ru Gd三元系合金相图的基础上 ,采用X射线衍射 ,差热分析、扫描电镜和显微金相分析等方法研究了Ag Pd Ru Gd(x(Ru) =5 % ,x(Gd) <2 5 % )四元系相图的 70 0℃等温截面。结果表明 :该截面上包含有 2个单相区 ,即Pd(Ag)和Pd3 Gd ;4个两相区 ,即Pd(Ag) +(Ru) ,Pd(Ag) +Pd3 Gd ,(Ru) +Ag51Gd14 ,(Ru) +Pd3 Gd ;3个三相区 ,即Pd(Ag) +Pd3 Gd +(Ru) ,Pd(Ag) +Ag51Gd14 +(Ru) ,Pd3 Gd +Ag51Gd14 +(Ru) ;1个四相区 ,即Pd(Ag) +Pd3 Gd +Ag51Gd14 +(Ru)。

700℃先进超超临界机组过/再热器材料C-HRA-1合金组织稳定性研究

研制了可工业化规模生产的700℃先进超超临界机组过/再热器用C-HRA-1镍基合金管材。采用光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等分析手段,结合热力学计算,研究了C-HRA-1合金在750℃和800℃长期时效处理过程中的组织稳定性。结果表明:C-HRA-1合金管材经固溶处理后冷轧态发生完全再结晶,没有明显析出相;经800℃/12h/AC时效硬化处理后,基体上弥散分布着细小球状的γ′相,且基体中析出少量粒状MC,晶界和孪晶界析出断链状M23C6,M23C6在800℃长期时效处理中逐渐向基体溶解;750℃和800℃长期时效处理过程中,γ′相逐渐粗化并由球形趋向立方状,与时效时间相比,时效温度对γ′相粗化的影响更为显著;750℃和800℃长期时效处理过程中没有发现有害相析出,说明C-HRA-1合金管材在750℃和800℃下具有良好的组织稳定性。

700℃超超临界循环流化床锅炉方案设计研究

在总结国内330 MW和600 MW循环流化床(circulating fluidized bed boiler,CFB)锅炉开发研制及工程经验基础上,进行了蒸汽温度为700℃的350 MW超超临界CFB锅炉方案设计,并对工质流程及关键部件结构进行分析计算和设计研究。具有先进蒸汽参数的350 MW超超临界CFB锅炉采用H型整体布置,4个蒸汽包覆式旋风分离器布置在炉膛两侧,配有相应的紧凑型气动均流换热床。锅炉水冷壁为低质量流速垂直管圈结构。双回路给煤系统可保证均匀可靠地向炉内送入燃料。

700℃超超临界汽轮机关键部件用镍基高温合金选材

700℃等级先进超超临界燃煤发电技术是目前世界各国正在研究中的最先进、经济性最好的发电技术之一。由于蒸汽温度和压力的提高对关键部件的蠕变、疲劳、高温氧化与腐蚀等性能都提出了更苛刻的要求,导致汽轮机关键部件的使用材料发生了巨大的变化。文章对国际上700℃先进超超临界燃煤发电技术中的汽轮机关键部件用镍基高温合金以及选材情况进行了简要的介绍。

700℃ A-USC电站锅炉材料专利分析与研究

以中国专利局、美国专利商标局、欧洲专利局世界专利等数据库中检索到的已公开发布的相关专利为研究样本,对专利的特征进行了统计和分析。结果表明:目前检索到700℃先进超超临界(A-USC)电站锅炉主要候选材料的核心发明专利为13项,主要包括Inconel 740/740H、Inconel 617/617B、HR6W、Sanicro 25、GH2984等牌号合金;其中Inconel 617/617B和GH2984的专利已过期,且未检索到最新专利;有关Inconel 740/740H、HR6W和Sanicro 25等合金的专利分别在近年申请并获得授权,专利的保护范围主要针对合金的成分、组织、用途、制备方法等方面,且这些专利保护的范围很广,有效地保护了合金的知识产权。

超超临界700℃火电机组热力系统的㶲分析

基于分析法与矩阵结构分布理论,结合AD700技术的研究成果,对700℃、1 000 MW超超临界火电机组进行分析,揭示系统各部件损失的分布、大小与成因,并针对其进行优化改进,为新型超超临界机组参数的优化与节能挖掘潜力提供参考。