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中国电力设备管理协会

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630-650℃高效超超临界机组关键部件选材设计与焊接工艺研究

作者:   发布时间:2020-12-10

一、创新成果概述

本课题针对超超临界机组的选材要求,详细调研了目前适用于630-650℃的新型耐热钢材料,从成分及组织、性能特点和工业生产应用三个方面综述了四种新型铁素体钢、两种奥氏体钢和两种铁镍基合金的研究现状,并推荐了630-650℃参数锅炉关键部件的选材方案。同时对两种关键候选新型材料G115(同种钢焊接)和Sanicro25钢(异种钢焊接)的焊接工艺的进行了研究,分析了焊接接头的组织特征及焊接工艺对接头组织、性能的影响,优选了合适的焊接工艺。主要进行了如下研究工作:

(1)详细调研了目前适用于630-650℃的新型耐热钢材料,介绍了四种新型铁素体钢、两种奥氏体钢和两种铁镍基合金的研究现状,分析了其性能特点。

(2)分析了超超临界锅炉关键部件的选材要求,对比600℃参数机组选材,推荐了630-650℃参数锅炉关键部件的选材方案。

(3)研发并优选出G115钢焊接材料,开展G115钢匹配焊材CCT曲线测定及焊接性研究。

(4)通过焊接热输入、道温和焊后热处理温度对G115钢焊接接头组织和性能的影响,并优了选合适的焊接工艺。

(5)制备了不同焊接材料的Sanicro25/T92异种钢焊接接头,研究了焊接材料与异种钢焊接接头组织和性能的关系,优选了焊接材料;

(6)对Sanicro25/T92异种钢焊接接头的高温持久性能进行研究,并对持久试样断口进行分析研究其断裂机理。

二、主要做法

630-650℃新型耐热钢候选材料的研究:调研了新型铁素体耐热钢VM12钢、G112钢、G115钢、SAV12AD钢、NF709钢、Sanicro25钢、新型铁镍基合金GH984G、新型铁镍基合金HR6W的研究现状,从该钢的成分及组织特点、性能特点(包括物理性能、CCT曲线、基本力学性能、持久强度、许用应力、抗蒸汽氧化性能、焊接性能、加工性能)和商业应用及前景三方面进行了详细的介绍。分析了这些钢的优缺点以及建议使用的范围。从持久强度、许用应力、线膨胀系数、耐腐蚀抗氧化性能、研发进度及工程应用四个方面分析比较了候选材料性能。总结了超超临界机组锅炉关键部件包括水冷壁、过热器/再热器、主蒸汽/高温再热蒸汽管道及其联箱的选材要求。结合600℃参数超超临界锅炉重要部件的用材情况,提出了630-650℃参数超超临界锅炉的关键部件的选材方案。

经过一系列成分调整和焊接工艺性能试验,开发出G115钢焊材。对G115钢匹配焊材进行优选,并进行G115钢焊接性研究。

开展G115钢同种钢焊接工艺进行研究,进行焊接工艺评定,优选合适的焊接工艺。同时,采用微型试样对焊接接头的力学性能进行研究。

通过焊接工艺性试验、力学性能和微观组织分析的实验,优选了Sanicro25与T92异种钢焊接的焊材。

开展Sanicro25异种钢接头的性能评定,优选焊接工艺。研究Sanicro25异种钢焊接接头的高温蠕变性能和微观组织变化情况。

三、主要创新点

(1)首次提出了630-650℃高效超超临界机组锅炉关键部件的选材方案,为目前国际最高参数630-650℃高效超超临界机组的工程应用提供了可靠的依据。

(2)研发了新型耐热钢G115的匹配焊材,解决了G115管材实际应用面临的瓶颈问题。

(3)基于微型试样性能测试技术,制定了G115钢同种钢焊接工艺;基于G115钢同种钢焊接接头性能试验研究,构建了焊接接头性能评价数据库。

(4)开发了适用于Sanicro25与T92异种钢焊接的焊接工艺,解决了630℃高效超超临界机组异种钢焊接问题。

(5)建立了应用于630℃高效超超临界机组G115、Sanicro25两种材料焊接接头性能评价体系。

四、应用成效

项目研究成果已在神华国华清远发电有限公司、哈尔滨锅炉厂推荐应用,为630℃高效超超临界机组建设提供了技术支撑。课题研究中G115和Sanicro25两种新材料的焊接工艺可直接应用在新建工程锅炉管的焊接,保证了新建工程的按时开工。

五、可推广性

630℃超超临界燃煤发电技术是当今世界上最先进的发电技术,本课题的研究成果为我国630℃机组的建设提供了重要参考和依据。630℃高效超超临界机组的建设,标志着我国在新一代先进发电技术方面达到世界领先,我国将成为世界上蒸汽参数最高和供电煤耗最低的国家。同时,在关键部件选材方面,大量具有自主知识产权的国产新材料的选用将打破国外高等级锅炉管的垄断,对我国民族钢铁行业的振兴起到了重大推动作用,是《中国制造2025》重要的组成部分。(供稿单位:神华国华(北京)电力研究院有限公司)