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2024年3月10日发(作者:)
超超临界汽轮机转子用耐热钢研究进展
熊林敞;田仲良
【摘 要】简述了汽轮机转子用铁素体耐热钢的发展历程.总结了对超超临界汽轮机
转子用耐热钢的性能要求.根据欧洲 COST项目中汽轮机转子用耐热钢研究的进展,
介绍了620℃等级超超临界高、中压转子用FB2耐热钢的研发和应用.论述了超超
临界低压转子用超纯净30Cr2Ni4MoV钢在国内外的研究和发展状况.展望了我国
700 ℃超超临界转子用材料的研发.%The course of development of ferritic
heat-resistant steels used for steam turbine rotor was described
performance requirements for the heat-resistant steels used for ultra-
supercritical(USC)steam turbine rotor were ing to the
progress of research on heat-resistant steels used for steam turbine rotor
of European COST project,the development of a FB2 heat-resistant steel
used for medium-high pressure ultra-supercritical turbine rotor of
620℃grade was research and development of a ultra-pure
30Cr2Ni4MoV steel used for low pressure ultra-supercritical turbine rotor
at home and abroad were addition,the development of heat-
resistant materials for ultra-supercritical turbine rotor of 700 ℃ grade was
forecasted.
【期刊名称】《上海金属》
【年(卷),期】2018(040)001
【总页数】6页(P89-94)
【关键词】超超临界;汽轮机转子;耐热钢
【作 者】熊林敞;田仲良
【作者单位】宝山钢铁股份有限公司规划与科技部,上海 201900;钢铁研究总院特
殊钢研究所,北京 100081
【正文语种】中 文
超超临界(Ultra Super Critical)燃煤发电机组具有能耗低、热效率高、运行可靠等
优点,已成为世界火电装备发展的主流。目前投入运营的火电机组蒸汽温度为
600~625 ℃,热效率可达45%。下一代700 ℃超超临界机组热效率可高达
50%[1- 3]。
转子是汽轮机中的重要零件,其质量约为几十t到上百t,在高温、高压环境中高
速旋转带动发电机发电,其材料性能的提升带动着超超临界机组的发展[4]。
1 转子耐热钢及其性能要求
1.1 转子耐热钢
目前火电机组用耐热钢主要有奥氏体耐热钢和铁素体耐热钢。奥氏体耐热钢存在热
膨胀系数大、导热系数低、抗疲劳性能差等诸多不足,不能用来制造较大型的转子。
因此,早期汽轮机尺寸都较小,发电量也较低。同时奥氏体钢热膨胀和高温下的腐
蚀导致汽轮机关停时存在一系列的问题,直到铁素体耐热钢的出现才使这些问题得
到解决,汽轮机得以快速发展[5]。
铁素体耐热钢具有热导率高、热膨胀系数低、抗疲劳性能好、抗晶间腐蚀和抗应力
腐蚀性能良好以及较低的生产成本等特点,已成为大截面主蒸汽管道、蒸汽轮机转
子及叶片等USC关键部件的候选材料。
1.2 转子耐热钢的性能要求
低压转子的工作温度一般不超过400 ℃,性能要求以常温及高温瞬时力学性能为
主;高、中压转子在400 ℃以上工作,除常温及高温瞬时力学性能外,更重要的
是高温长期服役条件下材料的力学性能稳定性。
对650 ℃级USC汽轮机转子用耐热钢的要求可归纳如下[6- 7]:
(1)较高的韧性、强度及疲劳强度;
(2)650 ℃下105 h持久强度达到100 MPa;
(3)良好的抗氧化和耐腐蚀性能;
(4)较高的热导率和较小的热膨胀系数;
(5)优异的锻造性能和良好的焊接性能。
2 转子耐热钢的发展
2.1 转子耐热钢的早期发展
早在20世纪40年代,为满足涡轮盘和汽轮叶片的要求,12%Cr(质量分数,下同)
钢得到了广泛的研究。20世纪50年代开发出的H46、Fv448等钢种,都具有良
好的持久强度。1955年德国KWU公司制造出第一支12%CrMoV钢超临界汽轮
机转子。20世纪50、60年代美国在H46的基础上降低Nb、Cr含量得到
10.5Cr1MoVNbN(GE)以及GE改进型,同时还在12CrMoV钢的基础上开发出含
W的12%Cr转子用AISI- 422钢。日本在H46基础上添加硼开发出了10.5Cr-
1.5MoVNbB钢,用于小型汽轮机转子[6]。
2.2 铁素体转子耐热钢的演变
图1是高、中压转子耐热钢的演变过程,化学成分见表1[8]。最初转子材料以
CrMoV钢为主,最高使用温度为545 ℃。为满足更高的温度和耐腐蚀性要求,引
入了12CrMo系的X12CrMoV121钢,其最高使用温度为560 ℃。随后在
12CrMoV钢的基础上添加Nb和Ta形成碳化物,以提高使用温度。日本通过添
加Ta+N,通用电气通过添加Nb+N,西屋电气通过添加W,产生了三种转子用
钢,分别为11CrMoVTaN、11CrMoVNbN、12CrMoVW钢,使用温度达到了
565 ℃。20世纪80年代,随着汽轮机耐热材料研究的发展,转子用钢的使用温
度提升到了593 ℃。在Nb- N或Ta- N钢中添加W来改善固溶强化作用,如日
本开发的TOS107(也称为GE改进型)和欧洲COST 501开发的
X12CrMoVWNbN1011(E型)。TMK1或TR1100合金则是将Mo由1%提高到
1.5%形成稳定的碳化物,其性能优于之前的12Cr钢。
620 ℃级转子钢的演变有两种不同的途径。一种是欧洲COST501研制的
X18CrMoVNbB91钢,是在X12CrMoVWNbN钢的基础上添加B去除W,达到
620 ℃蠕变强度的要求。另一种是日本在TOS107的基础上,将W的质量分数由
1%提高到1.84%的TMK2。
650 ℃级转子钢是在620 ℃级钢中添加3%Co和0.01%B,并继续提高W的质量
分数到2.7%而得到的HR1200和FN5,该等级的转子钢105 h断裂强度大于
125 MPa。
图1 HP/IP汽轮机转子用耐热钢的演变Fig.1 Evolution of heat-
resistant steels for HP/IP steam turbine rotor
表1 高温汽轮机转子用耐热钢的化学成分(质量分数)Table 1
Chemical composition of the heat- resistant steels for high-
temperature rotor(mass fraction) %合金CMnSiNiCrMoVNbTaNWBCo温
度/℃(℉)X21CrMoV1210.230.55-0.5511.71.00.30------
560(1040)11CrMoVTaN(TOS101)0.170.60-0.3510.61.00.22-
0.070.05----GE0.190.500.300.5010.51.00.200.085-0.06----
11CrMoVNbN0.160.62-0.3811.11.00.220.57-0.05---575(1070)
西屋(AISI422)0.230.800.400.7513.01.00.25---1.0---
10CrMoVNbN〛0.140.500.050.6010.21.50.170.06-0.04----
TOS1070.14--0.710.01.00.200.05-0.051.0--
593(1100)TMK2(TR1150)0.130.500.050.7010.20.400.170.06-
0.051.8---
X18CrMoVNbB91(COSTB)0.180.070.060.129.01.50.250.05-
0.02-0.10--TR12000.120.500.050.811.20.30.200.08-
0.061.8--620(1150)TOS110(EPDCB合
金)0.110.080.10.2010.00.70.200.05-
0.021.80.013.0630(1166)HR1200(FN5)0.100.550.060.5011.00
.230.220.07-0.022.70.022.7650(1200)
3 超超临界转子用耐热钢研究进展
3.1 高中压转子用耐热钢
为满足高参数超超临界汽轮机高温部件用材料的要求,欧洲开展了COST项目[9]。
该项目分COST 501(1986- 1997)、COST 522(1998- 2003)和COST 536(2004-
2009) 3个阶段,完成了600和625 ℃汽轮机转子锻件用材的开发,材料成分见
表2[10- 11]。COST 501项目开发的转子用铁素体- 马氏体耐热钢包括COST F、
COST E和COST B。COST F(与日本TMK1 相似)是在COST E的基础上,将Mo
质量分数由1%提高到1.5%并去除W而研制成的。相比于常规材料,这类材料的
蠕变强度和在制造、焊接过程中的抗脆裂性能大大改善。COST E和COST B是在
9%~10%Cr基础上分别添加1.5%Mo和1%Mo+1%W,以提高材料的蠕变强度,
将使用温度提高到600 ℃以上。目前已用COST F制造出直径1 380 mm重44 t
的转子,用COST E制造出直径1 280 mm重45 t的转子,均已应用于600 ℃的
高温环境中[12]。
COST522项目在9%~10%Cr钢中添加Co、B去除W而获得成分为9Cr-
1.5Mo- 1Co- 0.010B 的FB2耐热钢,能满足620 ℃级汽轮机高、中压转子的性
能要求,被广泛应用于德国和美国的火电厂[10]。FB2钢均匀细小的马氏体组织和
高的位错密度使其具有良好的蠕变强度,经过105 h时效处理后蠕变强度达到
100 MPa左右,相应的蠕变断后伸长率大于10%,FB2钢室温屈服强度大于
700 MPa,且淬透深度最少可达1 200 mm[13]。
表2 COST转子用耐热钢的化学成分(质量分数)Table 2
Chemical composition of the heat-
resistant steels for COST rotor(mass fraction) %COST钢种
CCrMoWVNiNbNBMn使用温度/℃1CrMoV0.251.01.0-0.25-----
55012CrMoV0.2311.51.0-0.25-----570501F0.1010.01.5-
0.200.700.050.050--
597501E0.1010.01.010.200.600.050.050--
597501B0.209.01.5-0.200.100.050.0200.010-
620522(SdF)FB20.139.321.47-0.200.160.050.0190.085-
620536FB40.189.251.5-0.300.150.060.0150.0100.3650
COST522中Boehler通过电渣浇注(BEST)工艺试制了第一支重约17 t的FB2钢
转子。另一支FB2钢转子在Saarschmiede工厂通过电渣重熔(ESR)工艺试制,其
直径1 200 mm、长4 000 mm、总重28 t。该转子钢加入了100×10-6的B和
1.2%的Co,成分见表3[12,14]。
FB2钢的热处理工艺为:1 100 ℃/17 h奥氏体化,喷水淬火。经570 ℃/20~
24 h/空冷、700 ℃/20~24 h/空冷两次回火,可保证形成回火马氏体。超声检测
(2 MHz)结果表明,直径1 215 mm的锻件热处理后最小可探测缺陷的尺寸为
2 mm, 满足该尺寸高压汽轮机转子的要求(图2)。如图3所示, 锻件心部与边缘
性能的均匀性优良[12]。
表3 COST FB2钢的化学成分和ESR试制成分(质量分数)Table 3
Specified and ESR composition of COST FB2 steel(mass fraction) %CSiMn
PSCrMoNiVAlAsCuSnSbNBCoNb标准最小值0.120.050.30--
9.001.400.100.180.005----0.0150.0081.200.045最大值
0.140.100.400.0100.0059.501.600.200.220.0100.0120.10
0.0040.0010.0300.0101.400.065电渣重熔平均值
0.140.080.310.0060.0019.281.510.150.190.0070.0020.03
10.004-0.0260.0091.320.053
图2 FB2钢锻件超声检验的部位和可探测的 最小缺陷的尺寸Fig.2
Positions of ultrasonic inspection and sizes of detectable minimum defect
s in the FB2 steel forging
图3 图2所示锻件的取样部位和力学性能测试结果Fig.3
Sampling positions in the forging shown in Fig.2 and resulting mechanical
properties
意大利 Societa della fucine Termi (SDF)公司采用传统工艺试制了第三支FB2钢
转子,其最终重量为28 t。三种转子的尺寸见图4[10]。
COST536项目研究了600~650 ℃时硼对材料性能的影响[15]。研究表明,B减
缓了M23(C,B)6的粗化,合适的B、N含量可避免BN转变为有害的Z相。优化
B、N含量,并降低COST B2中Mn的含量、增加Mo获得了COST FB4钢,其
成分见表4。
图4 三种转子的尺寸对比Fig.4 Sizes of three rotors
COST536项目中Saarschmiede公司试制了直径1 250 mm、重30 t的FB4钢
转子。热处理后锻件超声检测心部最小缺陷的尺寸为1.1 mm,达到了无硼
10%Cr转子钢的范围,明显低于含硼的FB2钢。
3.2 低压转子耐热钢
超超临界低压转子应满足[16]:(1)高的强度和韧性,良好的塑性;(2)低的韧脆转
变温度;(3)较高的断裂韧度; (4)较小的残余应力; (5)良好的淬透性;(6)整体性
能均匀。超纯净30Cr2Ni4MoV钢较高的持久强度、良好的抗氧化、抗腐蚀性能
及低周疲劳性能,已能满足目前超超临界机组低压转子的性能要求。
表4 三种COST钢的成分(质量分数)Table 4
Composition of three COST steels(mass fraction ) %CMnCrNiMoVNNbB
CoCostB20.200.759.000.10-0.20.0200.050.01-
CostFB40.180.309.250.151.50.30.0150.060.01-
CostFB20.130.359.250.151.50.20.0230.050.011.3
20世纪60年代,世界先进工业国研制了低碳2%~4%NiCrMoV钢
(ASTM A470 5、6、7级钢)[17],其心部组织基本为贝氏体,具有高的强度、良
好的塑性与低温韧性,韧脆转变温度(FATT)在室温以下。20世纪80年代,我国
引进了美国西屋公司的300MW和600MW亚临界机组制造技术[18],
30Cr2Ni4MoV钢作为低压转子材料,其成分与国外的3.5%NiCrMoV钢相同。
这种钢因具有高强度、良好的淬透性和低温韧性而用于当时汽轮机转子。其缺点是
易产生回火脆性,易形成粗大的奥氏体晶粒,伴有组织遗传现象。目前,国内外已
对30Cr2Ni4MoV钢的组织及性能进行了深入的研究 [19- 22]。
采用纯净化冶炼工艺严格控制有害元素生产的超纯净30Cr2Ni4MoV钢,改善了
350 ℃以上长期时效后的脆化倾向。与常规纯度30Cr2Ni4MoV钢相比,超纯净
30Cr2Ni4MoV钢高温持久强度、腐蚀疲劳抗力、低周疲劳性能均有所提高。表5
是不同国家超纯净的转子用3.5%NiCrMoV钢的化学成分[18]。
纯净的30Cr2Ni4MoV钢的冶炼工艺为电弧炉炼(EAF)- 钢包精炼(LF)- 电渣重溶
(ESR)- 真空浇注(VCD)等现代冶金技术[23- 24],控制P、Si、Mn、As、Sn等有
害元素含量。低压转子材料的纯度得到了较大幅度的提高,力学性能也得到了明显
的改善,转子的韧脆转变温度为-20 ℃左右。
表5 国外转子用超纯净3.5%NiCrMoV钢的化学成分(质量分数)Table 5
Chemical composition of foreign ultra-
pure 3.5%NiCrMoV rotor steels (mass fraction) %CSiMnPSNiCrMoVAlAs
SnSbJ系数EPRI目标
0.250.020.020.0020.0013.501.650.450.100.0020.0020.00
20.001EPRI标准
≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤0.300.050.050.0050.0023.752.000.500.1
50.0050.0050.0050.00210ASTM470CL.7≤≤0.20~≤≤3.25~
1.25~0.25~0.05~----
0.280.100.600.0150.0184.002.000.600.15EPRI/VEW-
10.300.030.020.00240.0013.441.680.410.090.0050.00240
.00320.00053EPRI/VEW-
20.270.010.020.0040.0013.731.710.430.100.0060.0060.0
050.00153EPRI/TSB-
JSW0.250.020.050.0030.00153.701.700.400.12<0.0030.00
30.0030.0024KawagoeA0.250.030.020.0020.0013.641.750.4
30.13<0.0050.0030.0030.00123KawagoeB0.250.030.020.0020
.0013.651.750.420.13<0.0050.0030.0030.00123MHI/JCFC0.
250.010.030.0030.00123.431.780.380.110.0010.003<0.001
0.00081.2Hitachi/Kobe0.250.030.040.0020.00123.681.750.3
60.130.0010.0020.0020.00122.8FEL实验转子
0.350.020.050.0030.0023.581.690.480.120.0030.0050.00
40.00154.9
3.3 我国700 ℃汽轮机转子用耐热材料展望
700 ℃超超临界发电技术尚处于研发阶段,汽轮机高中压转子候选材料以镍基耐
热合金为主。700 ℃汽轮机转子的发展技术路线主要有两条,一是整体锻造高温
耐热合金转子,二是采用焊接工艺生产转子,即高温部分为镍基耐热合金,中温部
分为铁素体耐热钢。我国的科研院所、高校、冶金企业等都已开展700 ℃超超临
界转子高温材料的研究工作,在借鉴国外研究成果的基础上,发挥各自的技术优势,
将会在短时间内取得技术突破。以形成具有自主知识产权的700 ℃超超临界汽轮
机转子用镍基耐热合金技术为目标,实现我国700 ℃超超临界汽轮机转子的自主
制造。
4 结束语
随着冶炼、锻造、热处理技术的不断进步,600 ℃超超临界汽轮机转子用铁素体
耐热钢得到了快速发展,促进了600 ℃电站的建设。未来研发700 ℃超超临界电
站用汽轮机转子仍需进一步加强“产学研”合作及基础理论的研究,以实现我国
700 ℃超超临界汽轮机转子的自主制造。
参考文献
[1] 林永明. 国际700 ℃ 燃煤超超临界发电技术研发进展[J]. 广西电
力, 2013, 36(2): 21- 25.
[2] 纪世东,周荣灿,王生鹏,等. 700 ℃等级先进超超临界发电技术研发现状及
国产化建议[J]. 热力发电, 2011, 40(7):86- 88.
[3] 田仲良,包汉生,何西扣,等. 700 ℃汽轮机转子用耐热合金的研究进展[J]. 钢
铁, 2015, 50(2):54- 60.
[4] 傅万堂,张百忠,王宝忠. 超临界与超超临界转子材料发展情况综述[J]. 大型铸
锻件, 2008 (5): 33- 36.
[5] ARRELL D. Next generation engineered materials for ultra supercritical s
team turbines[J]. 热能动力工程,2014,29(5):464- 465.
[6] KLUEH R L, HARRIES D R. High-
chromium ferritic and martensitic steels for nuclear applications [J]. Journa
l of Nuclear Materials,2002,302(2/3):232- 236.
[7] 马力深,钟约先,马庆贤,等.超(超)临界火电机组高中压转子技术的发展[J].锻
压技术,2006,31(1):94- 98.
[8] VISWANATHAN R, BAKKER W. Materials for ultrasupercritical coal powe
r plants—
Turbine materials: Part II[J]. Journal of materials engineering and performa
nce, 2001, 10(1): 96- 101.
[9] KERN T U, STAUBLI M, SCARLIN B. The European efforts in material dev
elopment for 650℃ USC Power Plants-
COST522[J]. ISIJ international, 2002, 42(12): 1515- 1519.
[10] DI GIANFRANCESCO A, CIPOLLA L, PAURA M, et al. The role of boron i
n long term stability of a CrMoCoB(FB2) steel for rotor application// [C] Pro
ceedings from the sixth International Conference on Advances in Materials
Technology for Fossil Plants. 2010:342- 360.
[11] GIANFRANCESCO A D, CIPOLLA L, VENDITTI D, et al. Creep behaviour
and microstructural analysis of FB2 trial rotor steel[C]// International Confe
rence on Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants.2008:36
6- 376.
[12] BLAES N, DONTH B, BOKELMANN D. High chromium steel forgings for
steam turbines at elevated temperatures[J]. Energy Materials Materials Sci
ence & Engineering for Energy Systems, 2013, 2(4):207- 213.
[13] 梅林波,沈红卫,王思玉,等. 625℃汽轮机转子材料的开发及性能分析
[J]. 热力透平, 2012, 41(3):183- 187.
[14] ZEILER G, BAUER R, PUTSCHOEGL A. Experiences in manufacturing of f
orgings for power generation application[J]. Metallurgia Italiana, 2010, 32(
6):33- 40.
[15] Kern T U, MAYER K H, Donth B, et al. The European efforts in develop
ment of new high temperature rotor materials-
COST536[C]// 9th Liége ége, Belgium, 2010: 27- 36.
[16] 陈睿恺. 30Cr2Ni4MoV钢低压转子热处理工艺的研究[D]. 上海:上海交通大
学, 2012.
[17] 刘显惠,林锦棠. 国内外汽轮机大型转子锻件材料的技术进展(二)[J]. 东方汽轮
机, 1998(3):5- 15.
[18] 张素心.我国汽轮机行业的发展与展望[J].热力透平,2003,3(1):1- 5.
[19] 刘鑫,钟约先,马庆贤. 低压转子钢30Cr2Ni4MoV动态再结晶行为研究
[J]. 中国机械工程,2010, 21(5):603- 606.
[20] CHEN F, CUI Z S, SUI D S. Recrystallization of 30Cr2Ni4MoV ultra-
super-
critical rotor steel during hot deformation. Part I: Dynamic recrystallization
[J]. Materials Science & Engineering A, 2011, 540(528):5073- 5080.
[21] 赵双群,林富生. 长期服役后低压转子30Cr2Ni4MoV钢的性能研究[J]. 动力
工程学报,2013, 33(2) :153- 159.
[22] 钟惠仙. 汽轮机低压转子用钢的发展[J].大型铸锻件,1996(4):45- 50.
[23] 李雅武. 精炼30Cr2Ni4MoV低压转子材料在超超临界机组上的应用[J].汽轮
机技术,2006, 48(1):73- 75.
[24] TANAKA Y,AZUMA T,
MIKI K. Development of steam turbine rotor forging for high temperature
application[C]// Proceedings from the Fourth International Conference on
Advances in materials Technology for Fossil Power Plants.2005:520- 534.
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