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電站用不銹鋼無縫鋼管發(fā)展現(xiàn)狀

2017-10-16 8:34:13      點(diǎn)擊:

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國的發(fā)電技術(shù)和裝備正在高速發(fā)展。截至2015年底,我國電力裝機(jī)規(guī)模達(dá)15.3億千瓦。就我國電力結(jié)構(gòu)看,煤電裝機(jī)占比高達(dá)60%,而核電裝機(jī)占比僅為1.8%,電力結(jié)構(gòu)存在著較大的調(diào)整空間。

此外,我國已向國際社會(huì)承諾,2020年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到15%左右。為此,發(fā)展大容量、高參數(shù)、高效率的超超臨界(USC)發(fā)電技術(shù),降低火電機(jī)組供電煤耗,控制火電裝機(jī)規(guī)模,擴(kuò)大核電等清潔能源的裝機(jī)規(guī)模,已成為我國電力裝備發(fā)展的方向。

隨著發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,機(jī)組關(guān)鍵部件的性能和質(zhì)量要求也越來越高。作為火電站和核電站建設(shè)的關(guān)鍵部件之一,不銹鋼無縫管的性能和質(zhì)量直接影響著火電發(fā)電效率和核電安全。

本文將對(duì)USC火電站和核電站用不銹鋼無縫管的現(xiàn)狀作簡(jiǎn)要闡述。

2 USC火電站用不銹鋼無縫管

2.1 市場(chǎng)需求

2016年,國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布《電力發(fā)展十三五規(guī)劃(2016-2020)》。根據(jù)《規(guī)劃》,預(yù)計(jì)2020年全國電力裝機(jī)容量達(dá)20億千瓦。其中,煤電裝機(jī)容量占比仍將達(dá)到55%左右。這意味著,十三五期間,煤電仍是我國電力供應(yīng)的主體。

此外,《規(guī)劃》布置了全面掌握擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造技術(shù);以高溫材料為重點(diǎn),加快攻關(guān)700超超臨界發(fā)電技術(shù);研究開展中間參數(shù)等級(jí)示范,實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率突破50%。推進(jìn)自主產(chǎn)權(quán)的60萬千瓦級(jí)超超臨界CFB發(fā)電技術(shù)示范。的重點(diǎn)任務(wù)。

目前,我國第一臺(tái)31MPa/600/620/620二次再熱機(jī)組已于2015年在華能安源電廠投運(yùn)。高參數(shù)超超臨界機(jī)組的建設(shè)和現(xiàn)役機(jī)組的參數(shù)改造勢(shì)必將帶來對(duì)高性能不銹鋼管的巨大需求。

2.2 性能要求

鍋爐是火電機(jī)組三大主機(jī)之一,其過熱器和再熱器是承受工作環(huán)境最為惡劣的部件,面臨高溫、高壓、蒸汽氧化以及煙氣腐蝕的考驗(yàn),是材料要求最高的部件,需同時(shí)具備以下條件:

1 常溫力學(xué)性能:高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,良好的沖擊韌性;

2 高溫性能:優(yōu)異的高溫持久強(qiáng)度,抗蠕變性能,良好的高溫組織穩(wěn)定性;

3 化學(xué)性能:良好的高溫抗氧化性能,抗煙氣腐蝕性能;

4 工藝性能:優(yōu)良的熱加工性能、焊接性能及熱彎曲性能;

5 物理性能:低的熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性;

6 良好的經(jīng)濟(jì)性:選擇高性價(jià)比的材料。

奧氏體不銹鋼的CrNi含量較高,具有較高的蠕變強(qiáng)度、良好的組織穩(wěn)定性、優(yōu)良的抗煙氣腐蝕和蒸汽氧化性能以及良好的焊接性,在高溫、高壓、對(duì)煙氣腐蝕和蒸汽氧化有較高要求的鍋爐受熱部件上應(yīng)用十分廣泛。過熱器和再熱器用管一般也采用奧氏體不銹鋼制造。

2.3 USC火電站用不銹鋼無縫管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

歐、美、日等全球不銹鋼老牌生產(chǎn)國家和地區(qū),早在20世紀(jì)90年代,已建立了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。其中,美國在這一領(lǐng)域一直保持著領(lǐng)先地位。電站鍋爐用奧氏體無縫管的常用標(biāo)準(zhǔn)見表1

我國標(biāo)準(zhǔn)水平與美標(biāo)存在著較大差距,尤其在鋼種數(shù)量上差距明顯。ASME SA213/SA213M-2015含鋼74種,奧氏體鋼56種,而GB 13296-2013僅含鋼29種,奧氏體鋼26種。此外,美標(biāo)修訂十分頻繁,而我國標(biāo)準(zhǔn)已多年未更新修訂。

目前,我國超超臨界發(fā)電技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平,材料問題已經(jīng)成為其發(fā)展的瓶頸問題。為適應(yīng)我國超超臨界技術(shù)的發(fā)展,新鋼種的研發(fā)已迫在眉睫,加速其評(píng)審納標(biāo)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂,也是十分必要的工作。

2.4 USC機(jī)組過熱器及再熱器管道材料

20世紀(jì)初,18Cr-8Ni和(15%-20%Cr-20%-40%Ni系不銹鋼的開發(fā),為后續(xù)一系列鉻鎳系耐熱鋼的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著超臨界機(jī)組、超超臨界機(jī)組的發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者一直致力于開發(fā)適應(yīng)火力發(fā)電機(jī)組需求的新型奧氏體不銹鋼管材料,如TP304HTP316HTP321HTP347H/HFGSuper304HHR3C等。

目前,我國已經(jīng)運(yùn)行或正在建設(shè)的超超臨界機(jī)組的蒸汽溫度已達(dá)到600,從性能和成本考慮,現(xiàn)役超超臨界機(jī)組過熱器和再熱器管道主要采用TP347HSuper304H HR3C 三種,特別是Super304HHR3C應(yīng)用最為廣泛。

然而,服役過程中,Super304HHR3C的不足之處也逐漸暴露出來。Super304H雖具有較高的高溫持久強(qiáng)度,但由于Cr含量?jī)H為18wt%,其抗高溫氧化/煙氣腐蝕能力不足。服役過程中,Super304H將產(chǎn)生大量氧化鐵皮,給機(jī)組維護(hù)工作帶來極大困難。HR3C的抗高溫氧化/煙氣腐蝕性能優(yōu)異,但高溫持久強(qiáng)度偏低,且服役過程中沖擊韌性惡化嚴(yán)重。

Super304HHR3C均不能滿足我國超超臨界機(jī)組向700或中間參數(shù)等級(jí)發(fā)展的需求。

Sanicro25是由瑞典SANDVIK公司開發(fā)的一種高溫性能極佳的新型奧氏體耐熱鋼,其650/105h持久強(qiáng)度可達(dá)165MPa,遠(yuǎn)高于其他鋼種。但是,Sanicro25合金化程度也明顯高于其他鋼種,CoW的添加也將大大增加煉鋼和制管難度,預(yù)計(jì)其成品價(jià)格也將遠(yuǎn)高于現(xiàn)役材料。目前,Sanicro25尚未在我國超超臨界機(jī)組中獲得應(yīng)用。

SP2215是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、經(jīng)濟(jì)型奧氏體耐熱鋼。SP2215是在深入研究TP347H/HFGSuper304HHR3C等材料合金化本質(zhì)及強(qiáng)化機(jī)理后,采用多相復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制(MX+Cu-rich+NbCrN)而開發(fā)出來的,兼具了Super304H的高持久強(qiáng)度和HR3C的抗高溫氧化能力。

目前,SP2215已經(jīng)完成煉鋼和制管工作,性能測(cè)試及評(píng)審鑒定工作正在有序推進(jìn)。650/105h高溫持久試驗(yàn)已進(jìn)行約10000h,依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)外推的持久強(qiáng)度不低于130MPa,高于Super304HHR3C650抗蒸汽氧化試驗(yàn)已超過2000h,其抗蒸汽氧化性能優(yōu)于Super304H,預(yù)計(jì)與HR3C相當(dāng)。此外,SP2215Cr+Ni含量?jī)H為37%,采用的煉鋼及制管工藝與Super304HHR3C無異,性價(jià)比優(yōu)勢(shì)十分明顯。SP2215有望成為HR3CSuper304H的替代材料,以及中間參數(shù)等級(jí)超超臨界示范機(jī)組過熱器和再熱器的候選材料。


3 核電用不銹鋼無縫管

目前,我國核電工業(yè)正處在高速發(fā)展期,完成了三代AP1000 技術(shù)引進(jìn)消化吸收,并形成了自主品牌的CAP1400和華龍一號(hào)三代壓水堆技術(shù)。

十三五期間,全國核電投產(chǎn)約3000萬千瓦、開工3000萬千瓦以上,2020年裝機(jī)達(dá)到5800萬千瓦。截至 2016 1月,我國大陸運(yùn)行的核電機(jī)組30臺(tái),總裝機(jī)容量2831萬千瓦,在建的核電機(jī)組24臺(tái),總裝機(jī)容量2672萬千瓦。其中,在建的核電機(jī)組數(shù)居********,在建以及運(yùn)行機(jī)組總數(shù)位居世界第三。隨著核電工業(yè)的高速發(fā)展,核電站用不銹鋼管的需求也將顯著增加。

目前, 我國在建和籌建的核電站均以技術(shù)性和安全性十分成熟的壓水堆核電站為主。在壓水堆核電站建設(shè)和機(jī)械設(shè)備制造中使用的無縫鋼管可分為四大類, 即碳素鋼/碳錳鋼/低合金鋼類、鉻鉬鋼類、不銹鋼類和鎳基合金類。其中,不銹鋼無縫管在核電站(冷卻劑)主管道、冷卻劑相關(guān)一回路管道、蒸汽發(fā)生器的傳熱管以及蒸汽疏水管線等關(guān)鍵部件均有應(yīng)用。

然而,我國的核電建設(shè)起步較晚,核電站設(shè)計(jì)及設(shè)備制造長(zhǎng)期依賴國外技術(shù),核電管材料采用國外標(biāo)準(zhǔn)和國外牌號(hào)鋼種,給國內(nèi)采購和生產(chǎn)帶來很多問題。直至2009年,GB 24512.1—2009《核電站用無縫鋼管第1部分:碳素鋼無縫鋼管》和GB 24512.2—2009《核電站用無縫鋼管第2部分:合金鋼無縫鋼管》兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布;2014年,GB 24512.3—2014《核電站用無縫鋼管 3部分:不銹鋼無縫鋼管》發(fā)布。這3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施將有力推動(dòng)我國核電用無縫鋼管性能和質(zhì)量的提高,并為我國核電用無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。


4 總結(jié)

我國火力發(fā)電技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平,發(fā)電機(jī)組正在向大容量、高參數(shù)、高效環(huán)保的方向發(fā)展。適應(yīng)USC技術(shù)發(fā)展的高性能奧氏體不銹鋼無縫管的研發(fā)已迫在眉睫。

具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、經(jīng)濟(jì)型奧氏體耐熱鋼SP2215有望成為HR3CSuper304H的替代材料,以及中間參數(shù)等級(jí)超超臨界示范機(jī)組過熱器和再熱器管道的候選材料。

我國核電工業(yè)正處在高速發(fā)展期,核電站用不銹鋼管需求量大。核電站用不銹鋼無縫管標(biāo)準(zhǔn)也已頒布實(shí)施,為我國核電用不銹鋼無縫管性能和質(zhì)量的提高以及核電用無縫管標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。