我國超超臨界汽輪機(jī)用高溫鑄件材料發(fā)展趨勢

田　宇　彭建強(qiáng)　魏雙勝　趙義瀚

(哈爾濱汽輪機(jī)機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

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我國超超臨界汽輪機(jī)用高溫鑄件材料發(fā)展趨勢

田宇彭建強(qiáng)魏雙勝趙義瀚

(哈爾濱汽輪機(jī)機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

摘要：論述了國外汽輪機(jī)用高溫鑄件材料的發(fā)展?fàn)顩r，分析比較了9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼和鎳基合金鑄件與低合金鑄件制造工藝的差異，指出我國超超臨界汽輪機(jī)用高溫鑄件材料的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼；鎳基合金；超超臨界；汽輪機(jī)鑄件

隨著蒸汽參數(shù)的不斷提高，汽缸等汽輪機(jī)部件用高溫鑄件材料也已經(jīng)從Cr-Mo鋼發(fā)展成各類9%～12%Cr鐵素體鋼。為了滿足700℃等級(jí)先進(jìn)超超臨界(A-USC)機(jī)組的用材需求，國內(nèi)外正在開展鎳基合金大型鑄件的研發(fā)工作。與傳統(tǒng)的1%CrMoV鑄件相比，新開發(fā)的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件的使用溫度提高了約50～60℃，而目前國內(nèi)外正在研究的鎳基合金的使用溫度更是高達(dá)700℃以上。但是，9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼和鎳基合金的成分非常復(fù)雜，采用這兩種鋼制造汽缸、閥殼等大厚壁鑄件的難度也大大增加。因此，國外非常重視9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼和鎳基合金鑄件的開發(fā)和應(yīng)用研究，比如歐洲的COST501、522、536計(jì)劃等，日本的TOS系列9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼高溫鑄件研發(fā)計(jì)劃等。

本文論述了國外汽輪機(jī)用高溫鑄件材料的發(fā)展?fàn)顩r，在分析比較了9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼和鎳基合金鑄件與低合金鑄件制造工藝差異的基礎(chǔ)上，提出我國超超臨界汽輪機(jī)用高溫鑄件材料的發(fā)展趨勢。

1國內(nèi)外高溫鑄件材料發(fā)展現(xiàn)狀

1.1歐洲

9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼具有優(yōu)異的高溫性能及較低的線膨脹系數(shù)，能夠滿足高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)高溫部件的用材要求，因此，歐洲制定了一系列各類9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼研發(fā)計(jì)劃，如圖1所示。

圖1　歐洲汽輪機(jī)關(guān)鍵部件用9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼研發(fā)計(jì)劃[1]

從圖1可以看出，與常規(guī)的9%～12%Cr鐵素體鋼相比，COST501研發(fā)的改良型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的使用溫度提高約30℃，高達(dá)610℃，而COST522研發(fā)的新型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的使用溫度又提高約25℃，達(dá)約630℃。同樣，若按COST536計(jì)劃的預(yù)期目標(biāo)，高溫性能更加優(yōu)異的9%～12%鐵素體耐熱鋼的使用溫度可以進(jìn)一步提高到650℃。然而，650℃已經(jīng)達(dá)到9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼回火溫度的下限值，在650℃下的長時(shí)蠕變持久性能試驗(yàn)表明，由于鋼的組織發(fā)生劣化，比如碳化物聚集長大，形成有害的Laves相等，鋼的蠕變持久強(qiáng)度顯著下降，無法滿足汽輪機(jī)高溫部件長時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的需要。因此，對(duì)于使用溫度達(dá)650℃的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼，仍然需要更加深入的研究。

表1　國內(nèi)外汽缸、閥殼用9%～12%Cr鐵素體鑄鋼化學(xué)成分[2～8](質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

歐洲COST計(jì)劃開發(fā)的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的化學(xué)成分如表1所示。其中， GX12CrMoWVNbN10-1-1和GX12CrMoVNbN9-1是COST501計(jì)劃研發(fā)出的改良型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件材料，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各類高參數(shù)超超臨界汽輪機(jī)鑄件，且運(yùn)行情況良好。比如，采用GX12CrMoWVNbN10-1-1制造出了重60 t的中壓內(nèi)缸，采用GX12CrMoVNbN9-1制造出了重20 t的高中壓內(nèi)缸。GX13CrMoCoVNbNB9-2-1(CB2)是COST522計(jì)劃研發(fā)出的新型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼。隨著620℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)的陸續(xù)制造及投產(chǎn)，采用新型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼GX13CrMoCoVNbNB9-2-1制造的閥殼等大厚壁部件也陸續(xù)投入電廠應(yīng)用。為了滿足蒸汽溫度達(dá)700℃的先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)用高溫材料的用材需求，歐洲還啟動(dòng)了AD700研發(fā)計(jì)劃。歐洲700℃等級(jí)先進(jìn)超超臨界汽輪機(jī)汽缸、閥體的候選材料為617合金和625合金。

1.2日本

日本為了滿足超臨界、超超臨界汽輪機(jī)高溫鑄件用材的要求，開發(fā)出了多種9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼，比如東芝公司開發(fā)的TOS301(常規(guī)9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼)、TOS302(改型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼)、TOS303(新型9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼)等，以及日立公司開發(fā)的KT5917和KT5616AS3等。TOS系列鑄件材料的典型化學(xué)成分和蠕變持久強(qiáng)度分別如表2和圖2所示。日立公司開發(fā)的KT系列鑄件材料的化學(xué)成分如表1所示。

表2　TOS系列鑄件的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖2　日本開發(fā)的9%～12%Cr鋼

“12Cr%鑄鋼”(TOS301)是20世紀(jì)80年代開發(fā)出的鋼種。1989年，首次把該鋼用作川越電站700 MW機(jī)組的汽輪機(jī)汽缸和閥殼。TOS302和TOS303也有很好的實(shí)機(jī)運(yùn)行業(yè)績，其中TOS303的最高運(yùn)行溫度為610℃，如表3所示。日本為700℃以上超超臨界汽輪機(jī)的汽缸和閥殼選的候選材料有兩類：一類是現(xiàn)有成熟合金IN625和IN617，另一類是新開發(fā)的低膨脹系數(shù)合金LTES700(鑄件)。東芝公司已經(jīng)采用IN625合金試制出3.5 t閥殼，并進(jìn)行了解剖試驗(yàn)[5]，如圖3所示。

表3　TOS302和TOS303的運(yùn)行業(yè)績[12]

圖3　東芝公司制造的625合金閥殼鑄件

1.3中國

我國也在消化吸收國外超臨界、超超臨界汽輪機(jī)汽缸、閥殼用高溫鑄件材料技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了改良型9%～12%Cr鋼鑄件材料，比如ZG1Cr10MoWVNNbN、ZG1Cr10MoVNbN等，其化學(xué)成分如表1所示。并且，已經(jīng)采用這些材料廣泛制造溫度達(dá)600℃的超超臨界汽輪機(jī)閥殼、汽缸等部件。目前，對(duì)于620℃等級(jí)的新型9%～12%Cr耐熱鋼鑄件，我國的部分鑄造廠也有制造業(yè)績，并有望很快應(yīng)用于國內(nèi)的620℃等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組中。然而，我國制造的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件還存在質(zhì)量穩(wěn)定性差，個(gè)別性能指標(biāo)，尤其是短時(shí)持久性能，難以滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求的問題。

29%～12%Cr鐵素體耐熱鋼及鎳基合金鑄件與低合金鋼鑄件制造工藝的差異

與常規(guī)CrMoV鋼鑄件相比，9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼和鎳基合金的成分更加復(fù)雜，因此，在制造工藝方面，無論是冶煉工藝、澆注工藝、熱處理工藝，還是焊接工藝和無損檢測等方面都明顯不同，制造難度大大增加。

2.1冶煉和澆注工藝

常規(guī)低合金鋼的成分非常簡單，采用電爐冶煉、大氣澆注即可。而9%～12%Cr鋼必須采用AOD等精煉工藝。鎳基合金鑄件的冶煉過程與合金錠的澆注要求就更加嚴(yán)格，尤其是對(duì)于汽缸、閥體等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高溫鑄件而言。因此，國外鑄造廠非常重視鎳基合金鑄件的冶煉和澆注工藝的深入研究，并采取了大量有效的措施，比如嚴(yán)格控制殘余元素含量，采用AOD/VOD等精煉工藝，采用感應(yīng)加熱冒口等等。

2.2熱處理對(duì)鑄件性能的影響

汽缸、閥殼鑄件不可避免存在補(bǔ)焊和結(jié)構(gòu)焊接。而且補(bǔ)焊和結(jié)構(gòu)焊接的位置及次數(shù)通常不止一處和一次。為了消除殘余應(yīng)力，對(duì)于較大的焊接區(qū)域和關(guān)鍵焊縫，必須在焊后馬上進(jìn)行去應(yīng)力處理。因此，汽缸和閥體鑄件需要經(jīng)歷多個(gè)熱處理過程，包括切冒口前的回火處理、性能熱處理、多次去應(yīng)力處理等。常規(guī)的低合金鋼鑄件的去應(yīng)力溫度通常比性能回火溫度低30～50℃，因此，去應(yīng)力處理不會(huì)降低鑄件的性能。但是，由于9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的成分更加復(fù)雜，焊接后的內(nèi)應(yīng)力要大得多，因此，為了更加有效的去除焊接造成的應(yīng)力，9%～12%Cr鋼鑄件的去應(yīng)力溫度通常與性能回火溫度一樣，這樣就可能會(huì)降低鑄件的強(qiáng)度。國外鑄件廠大量的9%～12%Cr鑄件制造經(jīng)驗(yàn)表明，多次去應(yīng)力處理會(huì)顯著降低鑄件的強(qiáng)度。例如，國外某鑄造廠對(duì)厚度100 mm的GX12和GP91鑄造板試樣進(jìn)行了多次回火處理，如圖4所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)多次回火和長時(shí)間保溫會(huì)降低鋼的強(qiáng)度。從圖4可以看出，對(duì)于GX12鑄鋼，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降約100 MPa；而對(duì)于GP91鑄鋼，抗拉強(qiáng)度下降40 MPa，屈服強(qiáng)度下降約60 MPa。

為了驗(yàn)證多次回火會(huì)降低9%～12%Cr鑄鋼的強(qiáng)度這個(gè)觀點(diǎn)，筆者對(duì)歐洲開發(fā)的620℃等級(jí)新型9%～12%Cr鑄鋼CB2材料進(jìn)行多次熱處理試驗(yàn)。結(jié)果表明，經(jīng)多次回火后，CB2的抗拉強(qiáng)度下降約30 MPa，屈服強(qiáng)度下降約50 MPa。

因此，在制定9%～12%Cr鑄鋼件材料標(biāo)準(zhǔn)時(shí)必須充分考慮這一點(diǎn)。同時(shí)，這也對(duì)同樣成分的9%～12%Cr鋼，鑄鋼技術(shù)條件中對(duì)強(qiáng)度要求通常低于9%～12%Cr鍛鋼給出了解釋。

圖4　多次熱處理對(duì)9%～12%Cr鑄鋼件強(qiáng)度的影響[9]

對(duì)于熱處理對(duì)鎳基合金性能的影響仍在研究之中。

2.3檢測方法

相對(duì)低合金鑄件而言，9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件的晶粒度較為粗大，從而增加了超聲檢測的難度。因此，為了增強(qiáng)9%～12%Cr鋼鑄件的超聲可探性，在鑄造完成后，要對(duì)鑄件進(jìn)行充分的擴(kuò)散退火處理，以消除偏析，使組織均勻化，進(jìn)而在性能熱處理后獲得均勻細(xì)小的晶粒。

鎳基合金鑄件晶粒非常大，甚至超過1 mm，已經(jīng)無法采用傳統(tǒng)的超聲波方法檢測鑄件內(nèi)部的質(zhì)量。因此，國內(nèi)外均在研究能夠檢測厚壁鑄件內(nèi)部質(zhì)量的方法，比如歐洲采用的X射線檢查。

2.4焊接工藝

對(duì)于采用低合金鋼制造的汽缸、閥殼等鑄件的焊接，由于合金化程度較低，相應(yīng)的焊接材料的成分也相對(duì)簡單，因此，無論是補(bǔ)焊，還是結(jié)構(gòu)焊接，焊接工藝要求相對(duì)簡單，也易于掌握。但是對(duì)于9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼的焊接，由于鑄件的合金成分復(fù)雜，焊接材料的成分也相應(yīng)的更為復(fù)雜，焊前還必須預(yù)熱至較高的溫度，通常要求在200℃以上，否則容易出現(xiàn)焊接裂紋等缺陷，焊接工藝要求也更為復(fù)雜。另外，還要考慮9%～12%Cr鋼與低合金鋼的異種金屬合金焊接問題。

鎳基合金鑄件的焊接難度更大，目前國內(nèi)外仍在進(jìn)行深入的研究。比如，歐洲采用SMAW、FCAW、EBW等工藝開展了625合金之間的同種材料焊接以及625合金與CB2(9Cr鋼)的異種材料焊接研究。

3我國超超臨界汽輪機(jī)用高溫鑄件材料發(fā)展趨勢

3.1進(jìn)一步完善各類9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件的制造工藝

雖然伴隨著我國汽輪機(jī)主機(jī)廠先進(jìn)鑄件材料的引進(jìn)過程，國內(nèi)鑄造廠在冶煉、熱處理等設(shè)備方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，而且也已經(jīng)能夠制造各類9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件產(chǎn)品，比如汽缸、閥殼、隔板套等等，這些產(chǎn)品也已經(jīng)在國內(nèi)超超臨界機(jī)組中有了多年的應(yīng)用業(yè)績。但是，如前所述，9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼鑄件在冶煉、澆注、熱處理、焊接、無損檢測等制造工藝方面與傳統(tǒng)的低合金鋼有著非常大的區(qū)別。與國外鑄造廠相比，我國的鑄造廠在9%～12%Cr鋼汽缸、閥殼等大厚壁鑄件制造經(jīng)驗(yàn)方面還有很大差距，鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性較差，個(gè)別性能指標(biāo)，比如短時(shí)持久性能、沖擊韌性等，還常常達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，國內(nèi)的鑄造廠今后應(yīng)在冶煉、澆注、熱處理、焊接等制造工藝方面進(jìn)行更加深入的研究，提高產(chǎn)品的質(zhì)量及其穩(wěn)定性。

3.2加強(qiáng)鎳基合金鑄件的研發(fā)力度

與9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼相比，鎳基合金鑄件的制造難度更大，還需進(jìn)行大量的研究工作，比如10 t級(jí)及以上鎳基合金鑄件的大型化研究，大型鑄件的同種和異種金屬焊接技術(shù)研究，檢測方法及缺陷評(píng)定技術(shù)研究等。

4建議

由于我國的汽輪機(jī)技術(shù)自誕生之日起就是以引進(jìn)為主，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著國家電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)三大主機(jī)廠在國家宏觀政策的指導(dǎo)下，分別引進(jìn)了不同國家和公司的超臨界、超超臨界技術(shù)。然而，對(duì)于汽輪機(jī)材料而言，由于其是汽輪機(jī)制造企業(yè)的核心技術(shù)之一，因此各個(gè)汽輪機(jī)制造商都有自己的材料體系。由于國內(nèi)三大主機(jī)廠引進(jìn)的是國外不同公司的汽輪機(jī)技術(shù)，因此，采用的汽輪機(jī)材料也是不同的體系。

然而，由于同一參數(shù)條件的汽輪機(jī)對(duì)材料的性能要求是相似甚至是一樣的，各個(gè)材料體系的材料在成分上雖然不同，但是對(duì)于同一類材料，比如9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼，各個(gè)公司的材料性能要求是相當(dāng)甚至是一致的。這不但提高了主機(jī)廠的采購成本和難度，也大大增加了鑄造廠的制造成本、難度和制造周期。眾所周知，研發(fā)一種新材料需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，對(duì)于9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼及鎳基合金等成分非常復(fù)雜的材料，其研發(fā)成本更是非常巨大，基于我國材料技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)相對(duì)薄弱的現(xiàn)實(shí)情況，有必要對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼種進(jìn)行優(yōu)化選擇，對(duì)每一參數(shù)等級(jí)的汽輪機(jī)確定一種或兩種9%～12%Cr耐熱鋼和鎳基合金進(jìn)行深入廣泛的研究，為提高鑄造廠的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和主機(jī)廠的自主設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃甌，彭澤瑛.700℃高超超臨界技術(shù)的經(jīng)濟(jì)得益分析.熱力透平[J].2010(9):170-174.

[2]馮興隆. 12Cr鑄鋼在鄒縣發(fā)電廠1000MW超超臨界汽輪機(jī)主、再熱汽閥上的應(yīng)用[J]. 水利電力機(jī)械.2006,28(2)：45-46,60.

[3]盧建偉,等.耐熱鑄鋼GX12的組織與力學(xué)性能分析[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào).2009,23(1):64-67.

[4]G. Golański. Effect of the heat treatment on the structure and properties of GX12CrMoVNbN9-1 cast steel[J]. Archives of Materials Science and Engineering. 2010,46(2):88-97.

[5]張皓, 張國利. 超超臨界汽輪機(jī)用ZG1Cr10MoWVNbN鋼的性能熱處理工藝試驗(yàn)研究[J].大型鑄鍛件.2007(4):4-5,19.

[6]王偉莉, 楊正國, 賈國慶. 超臨界汽輪機(jī)汽缸、主汽閥殼等鑄鋼材料的發(fā)展[J].汽輪機(jī)技術(shù). 1997,39(2):118-121,125.

[7]D. Jandová. Correlation of microstructure development of cast CB2 steel after long-term creep tests with electrochemical characteristics[C]//2nd International Conference on Recent Trends in Structural Materials. 2012, Czech Republic.

[8]丁建生，肖章玉. 超臨界材料鑄件熱處理工藝與力學(xué)性能研究[J]. 鑄造技術(shù). 2009, 30(8):1006-1009.

[9]Hanus R F,Schonfeld K H and Wagner H.Transformation of Knowledge and Technology fi'om Research and Development to the Commercial Production of Heavy Steel Castings and Forgings for Power Engineering,Made of Advanced Creep Resistant Steels[A].Strang A,Banks W M,Conroy R D,McColvin G M, Neal J C,and Simpson S.Parson 2000 for Advanced Materials for 21~(st) Century Turbines and Power Plant:Proceedings of the Fifth International Charles Parsons Turbine Conference[C].London:Institute of Materials,2000,348-371.

[10]R. Blum, R. W. Vanstone, Material development for Boiler and Steam Turbines Operating at 700℃, Proceedings of the Sixth International Charles Parsons Turbine Conference, Trinity College Dublin, Ireland, 2003: 489-510.

[11]Claus Lochbichler, Manufacturing of Cast Components made of Nickel-base Alloy 625 for 700℃ Class A-USC Steam Turbine Applications-Challenges and Experiences in Pilot-scale Production. The 2nd Annual Global Advanced Fossil-Gen Summit. Beijing,China.2012(12)：173-188.

[12]Masafumi Fukuda,Yoichi Tsuda,Katsuya Yamashita,Takeo Takahashi. Materials and Design for advanced high temperature team tubines. Proceedings from the fourth international conference on advances in materials technology for fossil power plants, October 25-28, 2004 USA:491-505.

[13]楊富.完善600℃、開發(fā)700℃超超臨界機(jī)組用國產(chǎn)新型耐熱鋼.第九屆電站金屬材料學(xué)術(shù)年會(huì).成都，2011：13-18.

編輯杜青泉

試驗(yàn)研究

Development Trend of Materials for High Temperature

Castings of Ultra Supercritical Steam Turbine in China

Tian Yu, Peng Jianqiang, Wei Shuangsheng, Zhao Yihan

Abstract：The development status of materials for high temperature castings of foreign steam turbine has been discussed. Meanwhile, the difference of manufacturing process between 9%~12%Cr ferritic heat-resisting steel and nickel base alloy castings and low content alloy castings has been analyzed and compared. Eventually, the development trend of materials for high temperature castings of ultra supercritical steam turbine in China has been pointed out.

Key words：9%~12%Cr ferritic heat-resisting steel; nickel base alloy; ultra supercritical; castings of steam turbine

作者簡介：田宇，工程師。電話：13664607811

收稿日期：2015—07—20

中圖分類號(hào)：TG142.73

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A