我国超超临界汽轮机高温转子锻件材料研发建议

吕振家，彭建强，鞠红霞，周立艳

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨， 150046)

0 引言

众所周知，提高进汽温度，可以显著提高汽轮发电机组的效率，降低有害气体排放。因此，国内外汽轮机制造商都在努力提高其机组的蒸汽温度。目前，已经投入商业运行的超超临界汽轮机蒸汽温度已经达到620℃，国内外正在研发630℃～650℃甚至更高温度的超超临界汽轮发电机组。

高温转子是汽轮机最核心的部件之一，因此，国内外汽轮机制造商都非常重视高温转子锻件材料的研发工作。9%～12%Cr铁素体耐热钢具有极佳的力学性能和物理特性匹配，非常适于制造汽轮机高温转子。通过几十年的努力，欧洲、日本等均开发出了一系列高温转子用9%～12%Cr铁素体耐热钢。

本文论述了欧洲、日本及国内超超临界高温转子锻件材料研发情况，结合国内9%～12%Cr铁素体耐热钢转子锻件的实际研发情况，给出我国超超临界汽轮机高温转子锻件的研发建议。

1 国内外高温转子锻件材料发展现状

1.1 欧洲

通过一系列COST计划（COST 501、522、536等），欧洲已经成功开发出了600℃等级COST E、COST F以及630℃等级COST FB2等9%～12%铁素体耐热转子钢，且这些转子钢已经广泛用于各类超超临界汽轮机高温转子中。

表1是COST E、COST F和COST FB2的化学成分，图1是FB2与COST E和F转子钢的持久强度比较。

表1 COST E、COST F和COST FB2的化学成分[1-2]单位：wt%

图1 FB2与COST E和F转子钢的持久强度比较[3]

为了满足650℃管的用材要求，日本材料专家提出了MARBN钢的概念，即添加B和N的马氏体耐热钢，名义成分为 （9Cr-3Co-3W-VNbNB），并开展了相关的研究工作。欧洲在MARBN钢研发的基础上，正在开展630℃～650℃高温转子钢锻件的研发工作，其命名为COST NPM1。目前，欧洲伯乐、SAAR等锻件厂家已经完成试验室小炉研发工作，对MARBN钢的热处理和持久性能及组织演变进行了详细研究，MARBN钢锻件的化学成分如表2所示，其持久性能与其他钢的对比如图2所示。

表2 COST NPM1的化学成分[4]单位：wt%

图2 COST NPM1在650℃与其他钢种持久强度比较[4]

欧洲正拟开展30 t以上大型锻件开发工作。对于大型转子锻件，则存在如下难点：

（1）大型钢锭组织均匀性问题；

（2）为获所需性能，最佳热处理工艺确定问题；

（3）大型锻件内部缺陷的UT探伤问题。

另外，考虑到成分如此复杂的钢种可能仅能制造轮盘锻件，因此，还有考虑NPM1钢的可焊性问题。

1.2 日本

日本在超超临界汽轮机用9%～12%Cr铁素体耐热钢研究方面处于世界领先地位，开发出来了一系列9%～12%Cr铁素体耐热钢，比如改良型TMK1、TOS107、TMK2、HR1100 等， 添加 Co 和 B 的新型 9%～12%Cr钢转子锻件TOS110、MTR10A、HR1200等。其中MTR10、HR1200等可以用于630℃等级转子。

表3和图3是日本开发的高温转子用各类9%～12%Cr铁素体耐热钢的化学成分和持久曲线。

表3 高温转子用9%～12%Cr钢的化学成分[2]单位：wt%

图3 日本研发的超超临界汽轮机高中压转子用钢蠕变持久曲线[5]

日本JCFC公司在9%～12%Cr铁素体耐热钢转子研究和制造方面有着非常丰富的经验，自1991年以来，已经交货近200根各类9%～12%Cr铁素体耐热钢转子锻件[3]。为了满足630℃～650℃转子用钢的要求，JCFC对MARBN钢进行了深入研究，开展了4种成分MARBN钢（见表4）的热处理工艺、蠕变持久及组织性能研究，并给出了4种成分MARBN钢的蠕变持久曲线，如图4所示。研究表明N4最有可能用于630℃以上转子钢。

表4 JCFC研发的MARBN钢试验成分[6]

图4 JCFC研制的MARBN钢的持久强度[6]

日本JSW公司在9%～12%Cr铁素体耐热钢转子研发和制造方面也有着非常丰富的经验。也开展了大量630℃～650℃高温转子的研究工作，其试验转子钢成分如表5所示，经研究表明，Co3W4钢可以用于635℃，其持久曲线见图5。

表5 JSW试验转子钢成分[7]

图5 JSW公司研制的Co3W4钢的持久曲线[7]

1.3 中国

国内在引进超超临界汽轮机技术时，也开展了改良型9%～12%Cr铁素体耐热钢 （比如COST E、TOS107等）转子锻件的国产化工作，并基本实现了国产化目标，成功制造出大型转子锻件，但是锻件的合格率较低，性能水平与国外还有一定差距。目前，国内转子锻件厂家在开展改良型9%～12%Cr钢转子锻件的性能提升及630℃等级FB2转子锻件的研发工作。

北京钢研总院成功开发出了可以用于630℃～650℃的管材G115，并实现了工业化生产，部分产品规格管如表6所示。

表6 G115的产品规格管道及制造工艺[8]

2 我国630℃～650℃超超临界汽轮机高温转子锻件研发建议

欧洲、日本等在电站用9%～12%Cr铁素体耐热钢研究方面已经开展了数十年深入而广泛的研究，对于高参数汽轮机高温转子材料，也已经成功开发出了满足不同参数等级的系列钢种。我国在电站材料研究和应用方面也有着非常好的研究基础和能力，并且在上世纪八九十年代引进美国西屋公司亚临界汽轮发电技术时，对电站用材料也开展了深入而有效的工作，完全掌握了亚临界材料技术。

然而，进入二十一世纪以后，虽然国内主机厂均从国外引进了先进的超临界、超超临界技术，但是由于引进的技术源头较多，各主机厂及研究院所研究力量和资源比较分散等原因，对于超超临界汽轮机，仅解决了叶片、紧固件等小型关键的国产化问题。对于高温转子用9%～12%Cr铁素体耐热钢转子锻件，虽然国内的主机厂和重机厂在联合开发，但是进展缓慢，至今高参数超超临界汽轮机用9%～12%Cr铁素体耐热钢转子仍以进口为主。

如前所示，欧洲、日本等虽然都开发出了一系列高温转子用9%～12%Cr铁素体耐热钢，且钢种高达10余种，然而，同一使用温度的钢种的化学成分和力学性能非常相似，完全可以根据使用温度整合为4种材料，如下：

（1）566℃等级常规 9%～12%Cr铁素体耐热钢；

（2）600℃等级改良型9%~12%Cr铁素体耐热钢；

（3）620℃~630℃等级新型9%~12%Cr铁素体耐热钢；

（4）630℃~650℃等级超级9%~12%Cr铁素体耐热钢。

根据我国高参数超超临界汽轮机高温转子的用材需求，并考虑到我国电站材料的实际研发和应用情况，对我国高温转子锻件材料的研发，应重点开展以下工作：

（1）在前期改良型9%~12%Cr铁素体耐热钢转子锻件的研发基础上，优选一种成分，进一步完善和提升锻件的制造工艺和性能水平。

（2）尽快开展620℃~630℃等级新型9%~12%Cr铁素体耐热钢转子锻件研究及工程化应用工作，实现锻件的国产化。

（3）尽快开展超级9%~12%Cr铁素体耐热钢转子锻件研究工作。