要提高大型火電機(jī)組的效率，要發(fā)展SC、USC火電機(jī)組，就必然要促進(jìn)大機(jī)組用鋼的研究和開(kāi)發(fā)，電力技術(shù)的發(fā)展，在很大程度上取決材料技術(shù)的發(fā)展。

提高鍋爐蒸汽溫度比提高鍋爐蒸汽壓力對(duì)機(jī)組效率的影響更為顯著。若鍋爐蒸汽溫度參數(shù)不提高，依靠提高鍋爐壓力參數(shù)提高機(jī)組效率，就意味著必然要選用高溫持久強(qiáng)度和允許使用溫度較低的熱強(qiáng)鋼，如：12Cr1MoV、10CrMo910、15Cr1Mo1V等，當(dāng)鍋爐壓力參數(shù)從140 kg／cm2提高到170 kg/cm2乃至260 kg／cm2時(shí)，就必須使管道的壁厚大大增厚，石洞口二廠超臨界600 MW（T=538/566℃，P=25.4 MPa）主汽管選用P22，管子規(guī)格為Ф654mm×136.5  mm。

由于管道壁厚的增加，焊接、熱處理、彎管、探傷等工藝都增加了更多的困難，比如：必須嚴(yán)格控制焊接線(xiàn)能量、采用多層多道焊、中間熱處理、二次（甚至三次）探傷、熱處理升降溫速度的控制等等。同時(shí)還會(huì)因管壁過(guò)厚引起熱應(yīng)力增加，導(dǎo)至管道的熱疲勞損傷。此外，當(dāng)選用大壁厚管道時(shí)，管道和保溫材料的重量大幅增加，從管系、支吊架到廠房架構(gòu)強(qiáng)  度與剛度都是設(shè)計(jì)部門(mén)要特別考慮的問(wèn)題。

就目前世界各國(guó)發(fā)展情況看，鍋爐用鋼的發(fā)展可以分為兩個(gè)方向，一是鐵素體熱強(qiáng)鋼的發(fā)展，另一是奧氏體鋼的發(fā)展。

1、鐵素體鋼

鐵素體鋼的發(fā)展可以分為兩條主線(xiàn)，一是縱向的主要耐熱合金元素Cr成分逐漸提高，從2.25Cr到12Cr；二是橫向的通過(guò)填加V、Nb、Mo、Ｗ、Ｃo等合金元素，６００℃ 105 h的蠕變斷裂強(qiáng)度由35 MPa級(jí)向60、100、140、180 MPa級(jí)發(fā)展。圖1給出了鍋爐鐵  素體熱強(qiáng)鋼的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

1）、低合金熱強(qiáng)鋼

20世紀(jì)50年代，電站鍋爐鋼管大多采用珠光體低合金熱強(qiáng)鋼，其含Cr≤3％，含Mo≤1%、其典型鋼種及最高使用壁溫為：15Mo≤530℃；12CrMo≤540℃；15CrMo≤540℃；12Cr1MoV≤580℃；15Cr1Mo1V≤580℃；10CrMo910≤580℃。

當(dāng)壁溫超過(guò)580℃時(shí)，一般都使用奧氏體熱強(qiáng)鋼TP304、TP347（≤700℃），然而由于其價(jià)格昂貴、導(dǎo)熱系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)大、應(yīng)力腐蝕裂紋傾向等問(wèn)題存在，不可能被大量采用，故世界各國(guó)從20世紀(jì)60年代初開(kāi)始進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)30多年的試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)適用于溫度參數(shù)為580℃～650℃范圍內(nèi)的鍋爐用熱強(qiáng)鋼，即改進(jìn)型的9Cr-1Mo鋼和12％Cr鋼的研究。而  當(dāng)壁溫超過(guò)650℃時(shí)，目前還只能選用奧氏體熱強(qiáng)鋼。

2）、EM12鋼的開(kāi)發(fā)

20世紀(jì)50年代末，比利時(shí)Liege冶金研究中心研究了超級(jí)9Cr鋼，其化學(xué)成分為9Cr-2Mo，并添加了Nb、V等合金元素，材料牌號(hào)為EM12。法國(guó)瓦魯瑞克公司生產(chǎn)出EM12的過(guò)熱器管。1964年，法國(guó)電力公司批準(zhǔn)EM12鋼管可用于620℃的過(guò)熱器和再熱器，代替過(guò)去使用的不銹鋼管。但是，由于該鋼種是二元結(jié)構(gòu)，沖擊韌性差，后來(lái)未得到廣泛應(yīng)用。

3）、鋼102的開(kāi)發(fā)

20世紀(jì)60年代起，中國(guó)按原蘇聯(lián)的耐熱鋼系列研究出了鋼102（12Cr2MoWVTiB），推薦使用溫度為620℃，經(jīng)長(zhǎng)期使用總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)證明，其使用溫度以低于600℃為宜。鋼102主要用于壁溫≤600℃的過(guò)熱器、再熱器管。

4）、T23（HCM2S）、T24鋼的開(kāi)發(fā)

HCM2S是在T22（2.25Cr-1Mo）鋼的基礎(chǔ)上吸收了鋼102的優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)的，600℃時(shí)的強(qiáng)度比T22高93％，與鋼102相當(dāng)，由于C含量降低，加工性能和焊接性能優(yōu)于鋼102，可以焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理（壁厚≤8mm）。該鋼已獲得ASME鍋爐壓力容器規(guī)范CASE2199認(rèn)可，被命名為SA213-T23。目前HCM2S已做出大口徑管，性能達(dá)到小口徑管的水平。

T24（7CrMoVTiB10-10）鋼是在T22鋼的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，與T22鋼的化學(xué)成分比較，增加了V、Ti、B含量，減少了C含量，于是降低了焊接熱影響區(qū)的硬度，提高了蠕變斷裂強(qiáng)度。T24 也可以焊前不預(yù)熱、焊后不熱處理（壁厚≤8mm）。

T23、T24鋼是超臨界、超超臨界鍋爐水冷壁的最佳選擇材料；并可應(yīng)用于壁溫≤600℃ 過(guò)熱器、再熱器管、P23可以用于壁溫≤600℃的聯(lián)箱。

5）、F11、F12的開(kāi)發(fā)

20世紀(jì)60年代末，德國(guó)研究開(kāi)發(fā)了12％Cr鋼，F(xiàn)12（X20CrMoV121）鋼和F11（X20CrMoWV121）鋼（化學(xué)成分見(jiàn)表2.1），該鋼至1979年正式納入DIN17175標(biāo)準(zhǔn)。主要用于壁溫達(dá)610℃的過(guò)熱器、壁溫達(dá)650℃的再熱器以及壁溫為540~560℃的聯(lián)箱和蒸汽管道，但其含碳量高，焊接性差。

6）、新型鐵素體熱強(qiáng)鋼T91/P91鋼的開(kāi)發(fā)

美國(guó)能源部委托橡樹(shù)嶺國(guó)家試驗(yàn)室（ORNL）與燃燒工程公司（CE）聯(lián)合研究用于快速中子增殖反應(yīng)堆計(jì)劃的鋼材，開(kāi)始改進(jìn)原有的9Cr1Mo鋼，以研究開(kāi)發(fā)一種新的9Cr1Mo鋼，要求這種新鋼種綜合早期9Cr和12Cr鋼的性能，并具有良好的焊接性。到1980年測(cè)試了超過(guò)100種成分的試驗(yàn)樣品，最后確定為改良型9Cr-1Mo鋼，即91/P91鋼，經(jīng)試驗(yàn)該鋼在593℃／105h條件下的蠕變斷裂強(qiáng)度達(dá)到100 MPa，韌性也較好，這種改進(jìn)的9Cr-1Mo鋼優(yōu)于EM12和F12。1983年美國(guó)ASME認(rèn)可了這種鋼為T(mén)91、P91，即SA213-T91、SA335-P91。T91鋼可用于壁溫≤600℃的過(guò)熱器、再熱器管，P91鋼可用于壁溫≤600℃的聯(lián)箱和蒸汽管道。

7）、T92/P92、T122/P122鋼的開(kāi)發(fā)

20世紀(jì)90年代初，日本在大量推廣T91、P91的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用溫度超過(guò)600℃時(shí)，T91、P91已不能滿(mǎn)足長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求。在調(diào)峰任務(wù)重的機(jī)組，管材的疲勞失效也是個(gè)大問(wèn)題，當(dāng)管材在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，大量蠕變空洞出現(xiàn)之前的積累損傷判斷成為更為重要的問(wèn)題。日本在開(kāi)發(fā)新的大機(jī)組鍋爐用鋼方面做了大量的試驗(yàn)研究工作，目前已生產(chǎn)出商品鋼管，并已得到ASME標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可。日本在大型鍋爐高溫部件上已采用了這些新的鋼種，例如SA213-T92（NF616）、SA335-P92（NF616）、SA213-T122（HCM12A）、SA335-P122（HCM12A）新鋼種。圖2給出了HCM12A、NF616、T91鋼許用應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。

新材料的應(yīng)用有效降低了管壁厚度，減少了材料的用量并使管系布置條件得到了改善

8）、NF12、SAVE12新型鐵素體熱強(qiáng)鋼的開(kāi)發(fā)

NF12、SAVE12鋼是為了提高超超臨界鍋爐效率急需開(kāi)發(fā)能夠用于650℃的鐵素體熱強(qiáng)鋼。通過(guò)對(duì)12Cr-W-Co鋼的研究，表明高的鎢和低的碳含量能夠提高蠕變斷裂強(qiáng)度，而且Co的存在可以避免δ鐵素體的形成。

可以看出NF12鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度高于P92、P91和F12鋼。相信不久的將來(lái)，這種蠕變強(qiáng)度優(yōu)良的NF12鋼一定能用于34.3 MPa、650℃的超超臨界鍋爐中。

2、奧氏體鋼

這種鋼種正在發(fā)展過(guò)程中，最初添加Ti、Nb，是從抗腐蝕的角度來(lái)提高鋼的穩(wěn)定性。然后在保持穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)降低Ti和Nb的含量，以提高蠕變強(qiáng)度。而不是提高抗腐蝕性，然后加Cu，以銅富相的沉積和熱處理改進(jìn)來(lái)提高沉積強(qiáng)化，進(jìn)一步趨勢(shì)是添加0.2%N和一定量的W，以增強(qiáng)固溶體的強(qiáng)度。

1)、新型細(xì)晶奧氏體熱強(qiáng)鋼Super304H的開(kāi)發(fā)

Super304H是TP304H的改進(jìn)型，添加了3％Cu和0.4％Nb獲得了極高的蠕變斷裂強(qiáng)度，600～650℃許用應(yīng)力比TP304H高30%，這一高強(qiáng)度是奧氏體基體中同時(shí)產(chǎn)生NbCrN、Nb（N、C）、M23C6和細(xì)的富銅相沉淀強(qiáng)化的結(jié)果。運(yùn)行2.5年后的性能試驗(yàn)表明該鋼的組織和力學(xué)性能穩(wěn)定，而且價(jià)格便宜，是超超臨界鍋爐過(guò)熱器、再熱器的首選材料。

2)、TP347HFG的開(kāi)發(fā)

TP347HFG鋼是通過(guò)特定的熱加工和熱處理工藝得到的細(xì)晶奧氏體熱強(qiáng)鋼。雖然TP347H鋼經(jīng)高溫下正?；倘芴幚?，其許用應(yīng)力在18Cr-8Ni鋼中最高，然而，高的固溶溫度使這種鋼產(chǎn)生粗晶粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致蒸汽側(cè)抗蒸汽氧化能力降低?，F(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種TP347H 鋼管晶粒再細(xì)化工藝。此工藝即使在較高的固溶處理時(shí)也能獲得細(xì)晶粒，晶粒的細(xì)化是通過(guò)在固溶處理工藝中碳化鈮的沉淀來(lái)完成的。通過(guò)這個(gè)工藝處理的管子不但有極好的抗蒸汽氧化性能，而且比TP347H粗晶鋼的許用應(yīng)力高20%以上。TP347HFG鋼的應(yīng)用對(duì)降低蒸汽側(cè)氧化是一個(gè)有前途的對(duì)策，已被廣泛應(yīng)用于超超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器、再熱器管。

3)、HR3C（ＴＰ３１０NbＮ）鋼的開(kāi)發(fā)

HR3C在日本JIS標(biāo)準(zhǔn)中的材料牌號(hào)為SUS310JITB，在ASME標(biāo)準(zhǔn)中的材料牌號(hào)為ＴＰ３１０NbＮ。HR3C鋼是TP３１０熱強(qiáng)鋼的改良鋼種，通過(guò)添加元素鈮（Nb）和氮（Ｎ）使得它的蠕變斷裂強(qiáng)度提高到了181MPa，正是由于該鋼種的綜合性能較之TP300系列奧氏體鋼中的TP304H、TP321H、TP347H和TP316H的任何一種都更為優(yōu)良，所以，在TP347H熱強(qiáng)鋼乃至新型奧氏體熱強(qiáng)鋼Susper304H 和TP347HFG鋼不能滿(mǎn)足向火側(cè)抗煙氣腐蝕和內(nèi)壁抗蒸汽氧化的工況下，應(yīng)選用HR3C熱強(qiáng)鋼。

3、結(jié)束語(yǔ)

超臨界和超超臨界機(jī)組是當(dāng)代世界火力發(fā)電的共同發(fā)展趨勢(shì)，鍋爐是火電機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備。超臨界和超超臨界鍋爐用鋼的選擇應(yīng)考慮其能滿(mǎn)足工況條件要求的必備性能，如高溫許用應(yīng)力、高溫蠕變斷裂強(qiáng)度、抗高溫疲勞、抗高溫腐蝕和抗蒸汽氧化的能力等，同時(shí)，還應(yīng)考慮這些新型鋼材的相關(guān)性能，如冷、熱加工性能等，特別是焊接性能。選擇性?xún)r(jià)比最佳的鋼材，降低造價(jià)，對(duì)加快超臨界、超超臨界機(jī)組的發(fā)展，確保發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。