[发明专利]700℃超超临界锅炉水冷壁用耐热合金及管材制造方法

说明书

技术领域

本发明属于耐热合金技术领域，特别是提供了一种700℃超超临界锅炉水冷壁用耐热合金及管材制造方法。

背景技术

提高火电机组蒸汽参数是提高机组热效率和实现节煤减排的最重要措施。2010年，国家能源局在人民大会堂宣布“国家700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”正式组建和启动，标志着中国正式开展700℃超超临界火电机组技术的研制工作。目前，欧洲、美国、日本、中国和印度正在集国家的科技力量研发700℃超超临界燃煤发电技术，以期在进一步提高热效率和降低煤耗的同时，大幅度减排CO₂等温室气体和其他污染物。我国火电站占整个电源结构的75％左右，但实际发电量占比超过80％，因此，研发700℃先进超超临界燃煤发电技术是至关重要的国家战略性技术。

锅炉设计及选材是700℃先进超超临界燃煤发电核心技术之一。虽然不同的锅炉制造商均根据自身技术特点对700℃超超临界锅炉进行不同的总体设计，但无论哪种型式，其关键部件水冷壁的出口温度等金属壁温值差别很小，因此，可认为700℃锅炉对材料性能要求不会由于锅炉总体方案的不同而发生大的变化。

水冷壁是蒸汽温度700℃超超临界锅炉的关键部件。与高温过热器和再热器管道不同，它是敷设在锅炉炉膛内壁，由许多并联管子组成的蒸发受热面管屏，其作用是吸收炉膛中高温火焰或烟气的辐射热量，将水加热并逐步变成饱和水蒸汽和水的混合物，并降低炉墙温度，保护炉墙。在电站锅炉中，一般采用膜式水冷壁，即将鳍片管(或扁钢与光管)相互焊接在一起组成的整块管屏。膜式水冷壁通常在制造厂拼焊成管屏，在现场安装中一般先在现场进行地面组合，再吊装就位进行组合安装。它的优点是气密性好，漏风少，减少了排烟热损失，提高了锅炉热效率。

水冷壁材料需满足如下要求：高的强度指标、良好的抗烟气侧腐蚀和抗蒸汽侧氧化、良好的焊接性能和加工成形特性。蒸汽温度600℃及以下超临界锅炉水冷壁选用低合金铬钼钢，如T12，T22，12Cr1MoVG，T23，T24。700℃超超临界锅炉水冷壁出口介质温度约530℃，水冷壁金属设计温度近600℃。在这种情况下，水冷壁材料不但要考虑抗烟气侧腐蚀和抗蒸汽侧氧化，还必须满足高温强度的要求，低合金铬钼钢不能满足要求，必须使用更高合金的材料。

研究表明，当选用外径42mm管子制造水冷壁时，以金属壁温设计计算，T12的适用温度范围不大于440℃；12Cr1MoVG不大于510℃；T23不大于535℃；VM12SHC不大于550℃；T91不大于560℃；T92不大于575℃。因此，当水冷壁金属设计温度大于575℃，应选用镍基耐热合金管。

以Inconel617合金为原型进行改进的合金，如617mod合金，也称617B或CCA617合金，是700℃超超临界锅炉主蒸汽管道最主要的候选材料之一。617mod合金也满足水冷壁持久强度、抗烟气腐蚀和抗氧化等性能要求。因此，欧盟等国初步认为此材料也可作为700℃超超临界锅炉水冷壁材料，并且认为该合金用作水冷壁小管时不需要进行焊后热处理。但是，研究及实践表明，617mod合金中含有碳化物占合金约1％和γ′相占合金4～9％。焊接过程中，由于碳化物和γ′相析出，极易形生应力松弛裂纹。为了保证锅炉安全、稳定运行，617mod合金必须进行焊后热处理，同时617mod合金价格相对昂贵。

综上所述，无论T92或617mod合金，这些材料的焊接接头部位残余应力都较高，硬度高、脆性大，如果不进行焊后热处理，运行中很容易导致水冷壁开裂。然而，由于膜式水冷壁的特殊结构以及现场安装的施工条件，现场局部焊后热处理变得非常困难，而且焊缝质量难以保证。专利CN104498699A和CN104342546A分别公开了不同方法的锅炉膜式水冷壁局部焊后热处理加热装置和工艺，以使加热装置简单，安装方便，提高焊缝质量。但是，即使如此，现场安装局部焊后热处理仍存在很大困难和焊缝质量难以保证。

目前，我国蒸汽温度700℃超超临界锅炉水冷壁的选材问题尚未得到解决。随着国家700℃超超临界火电机组示范工程的开展，开发一种具有高的强度指标，良好的抗烟气侧腐蚀和抗蒸汽侧氧化，良好焊接性和热加工性，特别是无需焊后热处理的新型耐热合金用作700℃超超临界锅炉水冷壁材料迫在眉睫。

发明内容