靳朝晖，徐梓原

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

0 引言

能源安全是关系国家经济社会发展的全局性问题，我国以煤为主的资源禀赋，决定了燃煤发电仍是当前最经济、安全、可靠的电源，在相当长时期内仍将承担保障我国能源电力安全的重要角色。2021年，燃煤发电以不足50%的装机占比，生产了全国60%的电量，承担了70%的顶峰任务，发挥了保障电力安全供应的支柱作用。

国家能源局、科学技术部在《“十四五”能源领域科技创新规划》[1]中提出：“开展700 ℃等级高温合金材料及关键高温部件的制造、加工、焊接、检验等关键技术研究；研发650 ℃等级蒸汽参数的超超临界机组高温材料生产及关键高温部件的制造技术；开展650 ℃等级超超临界燃煤发电机组工程示范”。其中难度最大的是用于主蒸汽和高温再热蒸汽管道的厚壁部件耐热材料的开发。

本文对国内外650 ℃等级机组现有材料和部分新材料的应用进行研究，提出650 ℃等级超超临界机组高温高压管道材料选择的建议。

1 650 ℃等级电站蒸汽初参数选择

超临界及超超临界机组蒸汽参数对应的蒸汽密度相当高，若单机容量偏小，由此引起的汽轮机二次流、汽封泄漏等损失增加，可能抵消由于蒸汽参数提高带来的效益。在主蒸汽参数及转速一定的条件下，容量越大，叶片高度越高，通流效率也越高。但容量越大，转子直径也越大，制造难度也大幅增加。1 000 MW高压转子直径约900 mm，中压转子直径约1 200 mm，对于650 ℃等级的机组，考虑采用焊接转子，按现有的制造技术可满足1 000 MW机组的需求。从机组效率及单位造价方面考虑，建议650 ℃等级电站的机组容量采用1 000 MW。

经计算，当主蒸汽温度从600 ℃提高到700 ℃时，汽轮机热耗降低了2.42%。当高温再热蒸汽温度从600 ℃提高到720 ℃时，汽轮机热耗降低了2.25%。另一方面，随着主蒸汽压力升高，汽轮机热耗也会下降，当主蒸汽压力从25 MPa提高到35 MPa时，汽轮机热耗降低了1.98%。图1所示为蒸汽温度不同、输入热量相同时蒸汽压力对机组出力的影响。可以看出，随着主蒸汽压力升高，机组出力会提高，但机组效率提高的空间也越来越小。

图1 不同初温度下蒸汽压力对机组出力的影响

650 ℃等级机组的参数比现有600 ℃/620 ℃等级超超临界机组有较大幅度提高，在机组效率上提升空间很大，机组蒸汽初参数的提高则受到相关高温耐热材料的开发等因素限制，计算后，兼顾到高温部件材料选用与制造、机组效率、性价比等因素，推荐机组参数见表1所列。

表1 650 ℃等级机组参数推荐表

2 650 ℃等级高温材料的研发进展

目前国内正在研发且工程上可适用于630 ℃等级超超临界机组主蒸汽、高温再热管道的材料是马氏体耐热钢，牌号为G115。对于汽轮机进汽温度为650 ℃的超超临界机组，主蒸汽管道的设计温度达660 ℃，高温再热蒸汽管道的设计温度658 ℃，在此温度下，G115材料已难以胜任。

综合国内外在大口径管道材料方面的研究成果，从持久强度、抗氧化性和焊接工艺等方面综合考虑，650 ℃超超临界机组可选如下材料。

1) C-HRA-2材料

C-HRA-3材料是我国针对700℃等级机组研发的镍基材料[2]，已于2013年试制成功第一根大口径管，目前已完成长时组织和性能稳定性试验、高温持久试验、焊接试验等应用性能研究。C-HRA-2在C-HRA-3基础上优化了Al和Ti金属，焊接性能更好，是专门针对650℃等级机组研发的纯固溶强化型耐热合金材料，可考虑不进行焊后热处理，目前也已完成长时组织和性能稳定性试验、高温持久试验、焊接试验等应用性能研究。C-HRA-2材料由于减少了C-HRA-3材料中的Al和Ti元素，且制造和焊接工艺更简单，所以成本较C-HRA-3材料低，且由于与C-HRA-3材料接近，部分数据可以参考C-HRA-3材料。研究进度也较快，目前在工信部国家新材料生产应用示范平台项目支持下，相关研究单位联合产业链单位正开展C-HRA-2材料生产应用示范线建设。

2) HR6W(47Ni -23Cr-23Fe-7W)材料

HR6W是日本公司于1986年研制成功的Fe-Ni基合金，该合金的一个显著特点就是在成分上添加了7%W，最初作为650 ℃超超临界机组厚壁大口径蒸汽管道候选材料。该合金高温长时时效组织稳定，具有良好的抗腐蚀性能和抗氧化性能；相对于大尺寸镍基合金，具有较高的塑性、韧性、疲劳强度，良好的工艺性能及低蠕变开裂倾向，线膨胀系数小于奥氏体耐热钢，高温下导热系数大于奥氏体钢，当温度达到700～800 ℃时，导热系数可超过铁素体钢。

3) Sanicro25(22Cr-25Ni-3.5W-3Cu)材料

Sanicro25是瑞典公司于1997年研发的一种奥氏体耐热钢[3]，成本比铁镍基合金和镍基合金低，小口径管道工艺成熟，可应用于650 ℃锅炉高温过热器及高温再热器受热面管道。目前，Sanicro25已经取得ASME标准认证，标准号为 ASME Code Case2753，也取得欧洲标准VdTuV555认证。Sanicro25是现有奥氏体钢中，蠕变强度最高的一个钢种，具有较好的抗蒸汽氧化和煤灰腐蚀性能，含25%Cr的Sanicro25钢抗氧化性能与25%Cr含量的TP310N相当，远好于其他常规奥氏体耐热钢，并具有良好的组织稳定性。Sanicro25具有较好的焊接性能，包括同种钢和异种钢焊接，焊接头蠕变强度与母材相当。

4) HT700材料

HT700是我国于2013年开始主导开发的用于700 ℃以上机组的高温镍合金材料，2018年已基本完成材料的基础研发，目前处于工程化应用阶段。该镍合金不同于常规材料，采用的不是固溶强化而是析出强化，主要元素为Ni、Fe、Cr，约占90%，其余为Wo、Mu、Al和Ti。目前HT700T小管压力管道已通过国家有关部门技术评审。另外，在HT700的基础上，通过调整合金元素形成了HT650合金，拟用于650 ℃等级机组。

3 650 ℃等级高温高压管道材料选型研究

相对于620 ℃和630 ℃超超临界机组，650 ℃等级超超临界机组的主蒸汽及高温再热蒸汽的温度和压力均有提升。介质的工作温度直接决定了管道材质的选用，本节将对650 ℃等级高温材料及高温高压管道的选材进行分析阐述。

3.1 高温材料的选择

通过对目前四种用于650℃等级机组的高温管道材料进行调研分析，四种材料在660℃的关键性能对比，见表2所列。

表2 四种材料在660℃的性能对比

Sanicro25材料属于奥氏体钢，660 ℃时该材料的许用应力可以达 到 100.64 MPa， 线 胀 系 数 为 16.8×10-6mm/mm/℃，目前小管道试验和研究均比较成熟。但用于大口径管道时，由于该材料线胀系数大、径向膨胀热应力大、导热系数小、脆化速度快等原因，容易爆管，不适合作为650 ℃等级超超临界机组的主蒸汽、高温再热蒸汽管道等厚壁部件。而铁镍基合金管道HR6W理论上比镍基管道制造成本低，660 ℃时该材料的许用应力为75.8 MPa，线胀系数为15.56×10-6mm/mm/℃，均较Sanicro25小，但其目前并无应用业绩，而且由于其W元素含量较高，易偏析，冶炼工艺和焊接的控制要求更高，在工程化应用中还会存在不确定的因素。因此不适合作为国内650 ℃等级超超临界机组的高温管道材料。C-HRA-2合金和HT700合金均由国内知名研究所研制，且已做了大量试验和研究，可作为650 ℃等级超超临界机组的高温管道材料。考虑到HT700合金的研究时间相对较短，因此本文推荐C-HRA-2合金钢作为主蒸汽、高温再热蒸汽管道的材料。

3.2 主蒸汽、高温再热蒸汽管道材料的选择

根据上文所述650 ℃等级电站机组的设计参数，按照C-HRA-2合金许用应力计算的主蒸汽、高温再热蒸汽管道规格与现有1 000 MW一次再热620 ℃机组的对比见表3所列。

表3 1 000 MW一次再热650 ℃机组与620 ℃机组的高温管道规格对比

650 ℃超超临界机组，由于机组参数提高后效率提高、蒸汽流量相应减小，可以适当降低主蒸汽和高温再热蒸汽管道的内径规格。采用新材料C-HRA-2后，由于新材料的许用应力较高，650℃超超临界机组虽然主蒸汽压力和温度均提高，但主蒸汽和高温再热蒸汽管道壁厚反而比现有的620℃机组的壁厚低，相应的管道重量也大幅减小，对于降低工程造价可以起到一定作用，同时管道壁厚的降低，尤其是主蒸汽管道壁厚的降低，对管道焊接及管道热应力均有利。因此推荐选用C-HRA-2材料作为管道材料。

4 结论

对于汽轮机进汽温度为650 ℃的超超临界机组，主蒸汽管道的设计温度达660 ℃，高温再热蒸汽管道的设计温度658 ℃，火电机组高温管道常用的铁素体系钢已无法满足设计要求，根据目前国内外在大口径管道材料方面的研究成果，从持久强度、抗氧化性和焊接工艺等方面综合考虑，可能的候选材料 有C-HRA-2、HR6W、Sanicro25、HT700等，综合考虑材料性能、管道材料费用及加工采购等因素，650 ℃等级超超临界机组主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道材料推荐采用C-HRA-2材料，该材料在性能方面可满足650 ℃超超临界机组高温管道的要求，其前期试验工作也比较充分，目前该材料数据积累已具备技术评审条件。

650 ℃等级电站机组的主蒸汽和高温再热蒸管道的温度及压力均很高，C-HRA-2材料许用应力高，可减少管道壁厚，对管道焊接及管道热应力控制均有利，并且可减轻管道重量，节约工程造价。

随着C-HRA-2材料工程化应用的推进，其应用将会提升火电机组的参数到650 ℃的时代，同时可为四代核电选材提供参考，带动我国新材料领域的发展。