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不锈钢管和无缝钢管的发展前景。
     点击量:    发表时间:2018-08-18 16:22
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随着经济的发展,我国的发电技术和装备正在高速发展。截至2015年底,我国电力装机规模达15.3亿千瓦。就我国电力结构看,煤电装机占比高达60%,而核电装机占比仅为1.8%,电力结构存在着较大的调整空间。
此外,我国已向国际社会承诺,2020年非化石能源消费比重达到15%左右。为此,发展大容量、高参数、高效率的超超临界(USC)发电技术,降低火电机组供电煤耗,控制火电装机规模,扩大核电等清洁能源的装机规模,已成为我国电力装备发展的方向。
随着发电技术的发展,机组关键部件的性能和质量要求也越来越高。作为火电站和核电站建设的关键部件之一,不锈钢无缝管的性能和质量直接影响着火电发电效率和核电安全。
本文将对USC火电站和核电站用不锈钢无缝管的现状作简要阐述。
2 USC火电站用不锈钢无缝管
2.1 市场需求
2016年,国家发展改革委和国家能源局联合发布《电力发展“十三五”规划(2016-2020)》。根据《规划》,预计2020年全国电力装机容量达20亿千瓦。其中,煤电装机容量占比仍将达到55%左右。这意味着,“十三五”期间,煤电仍是我国电力供应的主体。
此外,《规划》布置了“全面掌握拥有自主知识产权的超超临界机组的设计、制造技术;以高温材料为重点,加快攻关700℃超超临界发电技术;研究开展中间参数等级示范,实现发电效率突破50%。推进自主产权的60万千瓦级超超临界CFB发电技术示范。”的重点任务。
目前,我国第一台31MPa/600℃/620℃/620℃二次再热机组已于2015年在华能安源电厂投运。高参数超超临界机组的建设和现役机组的参数改造势必将带来对高性能不锈钢管的巨大需求。
2.2 性能要求
锅炉是火电机组三大主机之一,其过热器和再热器是承受工作环境最为恶劣的部件,面临高温、高压、蒸汽氧化以及烟气腐蚀的考验,是材料要求最高的部件,需同时具备以下条件:
1) 常温力学性能:高的抗拉强度和屈服强度,良好的冲击韧性;
2) 高温性能:优异的高温持久强度,抗蠕变性能,良好的高温组织稳定性;
3) 化学性能:良好的高温抗氧化性能,抗烟气腐蚀性能;
4) 工艺性能:优良的热加工性能、焊接性能及热弯曲性能;
5) 物理性能:低的热膨胀系数和良好的导热性;
6) 良好的经济性:选择高性价比的材料。
奥氏体不锈钢的Cr、Ni含量较高,具有较高的蠕变强度、良好的组织稳定性、优良的抗烟气腐蚀和蒸汽氧化性能以及良好的焊接性,在高温、高压、对烟气腐蚀和蒸汽氧化有较高要求的锅炉受热部件上应用十分广泛。过热器和再热器用管一般也采用奥氏体不锈钢制造。
2.3 USC火电站用不锈钢无缝管产品标准
欧、美、日等全球不锈钢老牌生产国家和地区,早在20世纪90年代,已建立了较为完善的标准体系。其中,美国在这一领域一直保持着领先地位。
我国标准水平与美标存在着较大差距,尤其在钢种数量上差距明显。ASME SA213/SA213M-2015含钢74种,奥氏体钢56种,而GB 13296-2013仅含钢29种,奥氏体钢26种。此外,美标修订十分频繁,而我国标准已多年未更新修订。
目前,我国超超临界发电技术已经达到世界先进水平,材料问题已经成为其发展的瓶颈问题。为适应我国超超临界技术的发展,新钢种的研发已迫在眉睫,加速其评审纳标以及相关标准的制修订,也是十分必要的工作。
2.4 USC机组过热器及再热器管道材料
20世纪初,18Cr-8Ni和(15%-20%)Cr-(20%-40%)Ni系不锈钢的开发,为后续一系列铬镍系耐热钢的发展奠定了基础。随着超临界机组、超超临界机组的发展,国内外学者一直致力于开发适应火力发电机组需求的新型奥氏体不锈钢管材料,如TP304H、TP316H、TP321H、TP347H/HFG、Super 304H、HR3C等。
目前,我国已经运行或正在建设的超超临界机组的蒸汽温度已达到600℃,从性能和成本考虑,现役超超临界机组过热器和再热器管道主要采用TP347H,Super304H和HR3C 三种,特别是Super304H和HR3C应用最为广泛。
然而,服役过程中,Super304H和HR3C的 不足之处也逐渐暴露出来。Super304H虽具有较高的高温持久强度,但由于Cr含量仅为18wt%,其抗高温氧化/烟气腐蚀能力不足。服役过程中,Super304H将产生大量氧化铁皮,给机组维护工作带来极大困难。HR3C的抗高温氧化/烟气腐蚀性能优异,但高温持久强度偏低,且服役过程中冲击韧性恶化严重。
Super304H和HR3C均不能满足我国超超临界机组向700℃或中间参数等级发展的需求。
Sanicro25是 由 瑞 典SANDVIK公司开发的一种高温性能极佳的新型奥氏体耐热钢,其650℃/105h持久强度可达165MPa,远高于其他钢种。但是,Sanicro25合金化程度也明显高于其他钢种,Co和W的添加也将大大增加炼钢和制管难度,预计其成品价格也将远高于现役材料。目前,Sanicro25尚未在我国超超临界机组中获得应用。
SP2215是一种具有自主知识产权的、经济型奥氏体耐热钢。SP2215是在深入研究TP347H/HFG、Super 304H、HR3C等材料合金化本质及强化机理后,采用多相复合强化机制(MX+Cu-rich+NbCrN)而开发出来的,兼具了Super304H的高持久强度和HR3C的抗高温氧化能力。
目前,SP2215已经完成炼钢和制管工作,性能测试及评审鉴定工作正在有序推进。
650℃/105h高温持久试验已进行约10000h,依据现有数据外推的持久强度不低于130MPa,高于Super304H和HR3C;650℃抗蒸汽氧化试验已超过2000h,其抗蒸汽氧化性能优于Super304H,预计与HR3C相当。此外,SP2215的Cr+Ni含量仅为37%,采用的炼钢及制管工艺与Super304H和HR3C无异,性价比优势十分明显。SP2215有望成为HR3C和Super304H的替代材料,以及中间参数等级超超临界示范机组过热器和再热器的候选材料。
3 核电用不锈钢无缝管
目前,我国核电工业正处在高速发展期,完成了三代AP1000 技术引进消化吸收,并形成了自主品牌的CAP1400和华龙一号三代压水堆技术。
“十三五”期间,全国核电投产约3000万千瓦、开工3000万千瓦以上,2020年装机达到5800万千瓦。截至2016 年1月,我国大陆运行的核电机组30台,总装机容量2831万千瓦,在建的核电机组24台,总装机容量2672万千瓦。其中,在建的核电机组数居世界第一,在建以及运行机组总数位居世界第三。随着核电工业的高速发展,核电站用不锈钢管的需求也将显著增加。
目前, 我国在建和筹建的核电站均以技术性和安全性十分成熟的压水堆核电站为主。在压水堆核电站建设和机械设备制造中使用的无缝钢管可分为四大类, 即碳素钢/碳锰钢/低合金钢类、铬钼钢类、不锈钢类和镍基合金类。其中,不锈钢无缝管在核电站(冷却剂)主管道、冷却剂相关一回路管道、蒸汽发生器的传热管以及蒸汽疏水管线等关键部件均有应用。
然而,我国的核电建设起步较晚,核电站设计及设备制造长期依赖国外技术,核电管材料采用国外标准和国外牌号钢种,给国内采购和生产带来很多问题。直至2009年,GB 24512.1—2009《核电站用无缝钢管第1部分:碳素钢无缝钢管》和GB 24512.2—2009《核电站用无缝钢管第2部分:合金钢无缝钢管》两项国家标准发布;2014年,GB 24512.3—2014《核电站用无缝钢管 第3部分:不锈钢无缝钢管》发布。这3项标准的颁布实施将有力推动我国核电用无缝钢管性能和质量的提高,并为我国核电用无缝钢管标准体系的建设奠定基础。
4 总结
我国火力发电技术已达到世界先进水平,发电机组正在向大容量、高参数、高效环保的方向发展。适应USC技术发展的高性能奥氏体不锈钢无缝管的研发已迫在眉睫。
具有自主知识产权的、经济型奥氏体耐热钢SP2215有望成为HR3C和Super304H的替代材料,以及中间参数等级超超临界示范机组过热器和再热器管道的候选材料。
我国核电工业正处在高速发展期,核电站用不锈钢管需求量大。核电站用不锈钢无缝管标准也已颁布实施,为我国核电用不锈钢无缝管性能和质量的提高以及核电用无缝管标准体系的建设奠定了基础。
作者:朱秋华 来源:世界金属导报

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