超臨界鍋爐耐熱鋼研究

前言

1960年，我國生產(chǎn)出第一臺50MW火電機組，蒸汽壓力為9.8MPa，蒸汽溫度為538℃。1960年以后，我國生產(chǎn)的火力發(fā)電機組的容量和壓力不斷提高，但主蒸汽溫度參數(shù)卻長期停留在538~C。直到2004年，我國才生產(chǎn)出第一臺蒸汽溫度出現(xiàn)飛躍的600MW的超臨界火力發(fā)電機組，蒸汽壓力為25.20MPa，蒸汽溫度為566~C／566℃。從1960年到2004年，歷經(jīng)40多年的發(fā)展，蒸汽溫度不能提高的主要原因之一是材料問題沒有解決，直到國外開發(fā)的新材料使用成熟，并在國內進行性能復核評定合格之后，才開始引進并用于生產(chǎn)超臨界壓力發(fā)電機組。我國電力建設一直以燃煤火電機組為主，依靠自主研發(fā)、設計和生產(chǎn)，1974年投運的我國首臺國產(chǎn)300MW機組，蒸汽參數(shù)為16.70MPa、538℃／538℃。1987年投運的第一臺引進的300MW機組，蒸汽參數(shù)為18.28MPa、538℃／538％。2004年之后我國以制造和投運600MW及以上的超臨界壓力發(fā)電機組為主。目前，我國已經(jīng)投運的超臨界壓力發(fā)電機組在100臺以上。與其他發(fā)電技術相比，超臨界發(fā)電技術具有更高的競爭優(yōu)勢。因此，發(fā)展超臨界和超超臨界發(fā)電機組已成為我國應對氣候變化、節(jié)能減排、應用潔凈煤發(fā)電技術的必然選擇。1987年，上海鍋爐廠率先引進T91耐熱鋼管，替代美國CE公司原設計采用TP304H鋼在300MW機組上應用，并進行了大量的性能評價試驗工作，為我國鍋爐制造行業(yè)應用進口T91耐熱鋼管積累了豐富的經(jīng)驗。推廣T91／P91耐熱鋼管的緊迫性引起我國電站鍋爐制造業(yè)的極大關注，如果能使T91／P91耐熱鋼管的供貨立足于國內，將極大地促進我國發(fā)電設備制造業(yè)和電力工業(yè)的技術進步。1989～1990年，電站鍋爐制造廠和鋼管廠簽署了試制10C~M01VNbN耐熱鋼管的協(xié)議和供貨合同。1991年，經(jīng)原機電部批準，“T9l耐熱鋼管國產(chǎn)化研究課題”被列為“八五”國家重點科技攻關項目“材料和大型鑄鍛件國產(chǎn)化關鍵技術攻關”項目之子課題，這一工作在上海發(fā)電設備成套設計研究所的組織下，各電站鍋爐制造廠大力協(xié)作，于1993年完成了試制10Cr9MolVNbN耐熱鋼管及其焊材的性能評定2~-作，并取得了階段性的研究成果，并于1995年完成了技術成果鑒定。之后，國產(chǎn)化的10CrMolVNbN耐熱鋼號被納入國家GB5310-1995《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準e。從基本力學性能來看，國產(chǎn)化的10Cr9MolVNbN耐熱鋼管的常規(guī)力學性能能夠達到進口T91耐熱鋼管的指標。但是，在高溫持久試驗復核時發(fā)現(xiàn)：國產(chǎn)化的10Cr9M。1VNbN耐熱鋼管在其使用溫度范圍內存在蠕變脆性現(xiàn)象，持久塑性也遠低于國外的同類進口鋼種，這些問題只有從微觀組織結構基礎研究上去找答案。

內容概要

　　《超臨界鍋爐耐熱鋼研究》對冶金部門鋼鐵研究院所、鋼鐵廠的耐熱鋼研究人員，對發(fā)電設備制造行業(yè)從事電站鍋爐設計、制造、材料、焊接工藝的技術人員，對電廠金屬材料運行監(jiān)督和管理的技術人員，具有重要的參考價值和業(yè)務指導作用。《超臨界鍋爐耐熱鋼研究》也可供國家質量技術監(jiān)督部門的鍋爐壓力容器質量監(jiān)督檢驗的工程技術人員和高等學校有關專業(yè)的師生參考?！　〗陙?，日益嚴重的能源與環(huán)境問題已成為國際社會面臨的兩大主題。為節(jié)約能源、保護環(huán)境和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，應對全球氣候變化，發(fā)展高能效的超臨界、超超臨界蒸汽參數(shù)、超大容量的蒸汽循環(huán)發(fā)龜機組將是我國未來電力發(fā)展的根本出路。為此，必須研究開發(fā)和高蒸汽參數(shù)發(fā)電機組相適用的高溫耐熱材料。這項工作在國家有關部門的統(tǒng)一組織下，由冶金部門、發(fā)電設備制造部門和高等學校、研究院所組成“三結合”攻關隊伍，在電力部門的積極配合下，從我國國情出發(fā)，針對我國發(fā)展超臨界壓力發(fā)電機組電站鍋爐耐熱鋼系列07Cr2MoW2VNbB、10Cr9MolVNbN和10Crl8Ni9NbCu3BN等3種典型耐熱鋼的合金化原理、強化機理、蠕變及退化機理、高溫疲勞性能、動態(tài)斷裂韌度等方面進行了深化研究。這項研究歷時15年，獲得了豐碩研究成果?！冻R界鍋爐耐熱鋼研究》的兩位作者全程參與了研究工作，在此基礎上，系統(tǒng)整理編成《超臨界鍋爐耐熱鋼研究》。

作者簡介

趙欽新，1963年出生，漢族，西安交通大學教授。1986、1989和1998年分獲熱能工程、實驗力學和金屬材料及熱處理專業(yè)學士、碩士和博士學位。曾赴加拿大西安大略大學作訪問學者。研究方向：材料環(huán)境行為、潔凈燃燒和工業(yè)過程節(jié)能。主持完成國家科技支撐計劃課題l項，參研863、973計劃課題3項，主持工業(yè)應用課題20多項。申請發(fā)明專利20項，授權5項。發(fā)表學術論文50篇，編著《燃油燃氣鍋爐》等5部作品。擔任全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會（SAC／TC262）委員。朱麗慧，1971年2月出生，漢族。1998年畢業(yè)于西安交通大學材料學院，獲博士學位。現(xiàn)為上海大學教授、博導。研究方向：耐熱鋼、硬質合金和陶瓷。主持完成包括國家自然科學基金（50101004）在內的10余項科研課題。已在《鋼鐵》、《ScriptaMaterialia》等國內外核心刊物上發(fā)表學術論文50余篇，SCI收錄近30篇。EI收錄近40篇。申請專利12項，已授權國家發(fā)明專利5項，實用新型專利1項。榮獲上海市科技進步三等獎和上海市科教系統(tǒng)三八紅旗手稱號。

書籍目錄

序前言第1章 超臨界發(fā)電技術及電站鍋爐耐熱材料進展1.1 我國電力需求及火力發(fā)電增長分析1.1.1 我國電力工業(yè)發(fā)展的重大需求1.1.2 煤電發(fā)展的機會與威脅1.1.3 以煤電為主的電力構成1.1.4 電力工業(yè)與環(huán)境保護1.2 超臨界發(fā)電技術及其進展1.2.1 超臨界發(fā)電技術1.2.2 超臨界鍋爐技術應用1.3 電站鍋爐耐熱材料進展1.3.1 電站鍋爐高溫受壓部件1.3.2 超臨界鍋爐耐熱材料進展1.3.3 電站鍋爐耐熱鋼的技術經(jīng)濟比較1.3.4 我國火電發(fā)展及對耐熱材料的要求1.3.5 結論參考文獻第2章 電站鍋爐耐熱鋼的合金化原理2.1 鍋爐耐熱鋼的強化機理2.1.1 基體強化2.1.2 沉淀強化2.1.3 晶界強化2.2 合金元素和雜質元素對鍋爐耐熱鋼性能的影響2.2.1 碳（C）2.2.2 鉻（Cr）2.2.3 鉬（Mo）2.2.4 鎢（W）2.2.5 釩（V）2.2.6 鈮（Nb）2.2.7 鈦（Ti）2.2.8 稀土元素（RE）2.2.9 硼（B）2.2.10 錳（Mn）2.2.11 硅（Si）2.2.12 鎳（Ni）2.2.13 銅（Cu）2.2.14 鈷（Co）2.2.15 氮（N）2.2.16 鋁（A1）2.2.17 硫（S）2.2.18 磷（P）2.2.19 氧（O）2.2.20 氫（H）2.2.21 砷（As）、銻（Sb）、錫（Sn）、鉍（Bi）參考文獻第3章 O7Cr2MoW2VNbB貝氏體耐熱鋼3.1 T23貝氏體耐熱鋼介紹3.1.1 常規(guī)力學性能3.1.2 高溫性能3.1.3 焊接性能3.1.4 T23鋼在國內的應用情況3.2 我國07Cr2MoW2VNbB貝氏體耐熱鋼供應狀態(tài)下的組織和強化機理3.2.1 引言3.2.2 試驗材料3.2.3 試驗結果與分析3.2.4 07Cr2MoW2VNbB鋼的強化機理3.2.5 本節(jié)小結3.3 07Cr2MoW2VNbB鋼高溫時效后的組織演變及其對力學性能的影響3.3.1 引言3.3.2 試驗方法3.3.3 試驗結果與分析3.3.4 討論3.3.5 本節(jié)小結3.4 07cr2MoW2VNbB鋼高溫持久后的組織演變及其對力學性能的影響3.4.1 引言3.4.2 試驗方法3.4.3 試驗結果與分析3.4.4 討論3.4.5 本節(jié)小結3.5 T23鋼高溫低周疲勞性能3.5.1 引言3.5.2 試驗方法3.5.3 試驗結果與分析3.5.4 本節(jié)小結參考文獻第4章 10Cr9Mo1VNbN鐵素體耐熱鋼4.1 國內外的鐵索體耐熱鋼概況4.1.1 改進型9Cr-1Mo鋼研發(fā)和應用背景4.1.2 T91/P91鋼納標及應用概況4.1.3 T91/P91鋼的性能特點4.1.4 我國10Cr9Mo1VNbN鋼研究開發(fā)4.1.5 10Cr9Mo1VNbN鋼性能的深化研究4.2 10Cr9M01VNbN鋼強化機理研究4.2.1 材料和試驗4.2.2 間隙和置換原子及其原子對相互作用形成的固溶強化4.2.3 析出和彌散強化4.2.4 位錯強化4.2.5 碳化物穩(wěn)定下的亞結構強化4.2.6 本節(jié)小結4.3 10Cr9MolVNbN鋼退化機理研究4.3.1 合金元素的再分配4.3.2 碳化物粗化和間距增大4.3.3 位錯密度下降4.3.4 Nh，V（C，N）的彌散質點分布不均勻4.3.5 碳化物粗化引起空洞形核機理4.3.6 空洞生長及微裂紋控制的蠕變斷裂4.3.7 晶界弱化及促進空洞形核的因素4.3.8 Ti、Al微量元素降低持久強度和持久塑性4.3.9 本節(jié)小結4.4 10Cr9Mo1VNbN鋼焊接接頭性能研究4.4.1 焊接接頭持久強度試驗4.4.2 焊接接頭的硬度試驗和金相觀察4.4.3 焊接接頭持久強度斷裂試樣的SEM觀察4.4.4 軟化區(qū)第Ⅳ類裂紋開裂L成焊接接頭持久強度降低4.4.5 本節(jié)小結4.5 10Cr9Mo1VNbN鋼低周疲勞性能研究4.5.1 試驗材料與方法4.5.2 疲勞特性分析4.5.3 蠕變和疲勞交互作用下的微觀組織演變4.5.4 疲勞斷口形貌觀察與分析4.5.5 本節(jié)小結4.6 10Cr9Mo1VNbN鋼蠕變壽命預測4.6.1 空洞形核和生長機理4.6.2 受約束蠕變孔洞生長模型4.6.3 蠕變孔洞非均勻成核修正模型4.6.4 本節(jié)小結參考文獻第5章 10Cr18Ni9NbCu3BN奧氏體耐熱鋼5.1 Super304H奧氏體耐熱鋼介紹5.1.1 常規(guī)力學性能5.1.2 高溫性能5.1.3 焊接性能5.1.4 彎管及彎后熱處理5.2 我國10Cr18Ni9NbCu3BN鋼強化機理研究5.2.1 引言5.2.2 試驗方法和材料5.2.3 試驗結果與分析5.2.4 討論5.2.5 本節(jié)小結5.3 10Cr18Ni9NbCu3BN鋼高溫時效后的組織演變對力學性能的影響5.3.1 引言5.3.2 試驗方法5.3.3 試驗結果與分析5.3.4 討論5.3.5 本節(jié)小結5.4 10Cr18Ni9NbCu3BN鋼高溫持久后的組織演變對力學性能的影響5.4.1 引言5.4.2 試驗方法5.4.3 試驗結果與分析5.4.4 討論5.4.5 本節(jié)小結參考文獻第6章 超超臨界發(fā)電技術及耐熱材料展望6.1 超超臨界發(fā)電技術進展6.1.1 超超臨界發(fā)電機組的優(yōu)越性6.1.2 超超臨界發(fā)電機組的發(fā)展狀況6.2 超超臨界電站鍋爐耐熱材料選型6.2.1 超超臨界電站鍋爐候選耐熱材料6.2.2 蒸汽溫度為600℃的超超臨界電站鍋爐耐熱材料選型6.2.3 蒸汽溫度為620℃的超超臨界電站鍋爐耐熱材料選型6.2.4 蒸汽溫度為650℃的超超臨界電站鍋爐耐熱材料選型6.3 超超臨界電站鍋爐耐熱材料研究進展6.3.1 超超臨界電站鍋爐耐熱材料研究概況6.3.2 “十五”863計劃電站鍋爐耐熱材料研究進展6.3.3 “十一五”國家科技支撐計劃項目電站鍋爐耐熱材料研究進展6.3.4 我國電站鍋爐耐熱材料研究的未來計劃參考文獻附錄附錄AGB5310-2008中鋼的牌號與國外相近鋼的牌號對照表附錄B著作者發(fā)表的和本項研究相關的學術論文及成果

章節(jié)摘錄

插圖：1.經(jīng)濟增長與電力需求分析眾所周知，任何國家或地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展總是建立在能源消耗的基礎之上，并直接決定著電力需求的變化。一個國家或地區(qū)的經(jīng)濟高速發(fā)展，勢必會對電力的發(fā)展提出更高的要求；反之，如果一個地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展停止不前，其電力工業(yè)的發(fā)展也會受到影響。目前，電力是最主要的二次能源，是在消耗一次能源的基礎上產(chǎn)生的高品位能源，可以肯定地說，電力工業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎。自從第二次產(chǎn)業(yè)革命以來，社會生產(chǎn)進入電氣時代，人們的生活方式也與電息息相關，電力作為二次能源在生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著不可或缺的動力能源作用。電力能否得到合理有效的供給已經(jīng)成為國民經(jīng)濟健康穩(wěn)定發(fā)展的一個關鍵因素。我國改革開放30多年的發(fā)展歷程同樣也證明：電力工業(yè)必須超前發(fā)展，才能保證我國國民經(jīng)濟持續(xù)、健康、快速地發(fā)展。改革開放以來，我國經(jīng)濟增長取得了巨大的成就。我國經(jīng)濟經(jīng)歷了波浪式前進的過程，從1981年左右開始，我國經(jīng)濟進入快速發(fā)展軌道，1984年達到第一個高點，然后逐漸減速，于1990年達到最低點完成了第一個周期。1991年進入另一個增長期，1992年達到高點，然后逐漸減速，在1999年達到低點，完成了第二個周期。2002年下半年我國經(jīng)濟明顯回暖，經(jīng)濟增長進入一個新的時期。2003年我國的國內生產(chǎn)總值突破10萬億元大關，2003年我國人均GDP達到1000美元，2004年我國人均GDP突破10000元人民幣，這些在我國經(jīng)濟增長史上都是具有里程碑意義的。

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《超臨界鍋爐耐熱鋼研究》由機械工業(yè)出版社出版。

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