Разработка и освоение материалов для тепловых блоков на суперсверхкритические параметры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка и освоение материалов для тепловых блоков на суперсверхкритические параметры

В.Н. Скоробогатых, И.А. Щенкова, заместитель генерального директора главный научный сотрудник ОАО «НПО ЦНИИТМАШ», директор ОАО «НПО ЦНИИТМАШ», института материаловедения, к.т.н., к.т.н.

Эксплуатационные параметры отечественной энергетики (Т 545°С; Р 24,5 МПа) позволили в течение 40 последних лет применять традиционные котельные и трубные материалы, разработанные в период 50-60 годов:

* углеродистые и низколегированные стали марок 10, 20, 15ГС при температурах до 500 °С;

* хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые перлитные стали марок 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР, 25Х1М1Ф с температурой применения до 585°С (при базовой температуре не выше 540-565°С);

* аустенитные стали марок 12Х18Н12Т и 08Х16Н9М2 при температурах до 640 °С (только для высокотемпературных частей пароперегревательных котлов).

Этот набор конструкционных материалов остается практически неизменным до настоящего времени. В 60-70 годы были разработаны и частично освоены более жаропрочные стали для пароперегревательных и паропроводных труб, роторов, лопаток паровых турбин и крепежа. Это были хромистые жаропрочные стали марок 15X11МФ, 15Х12ВНМФ (ЭИ802), 13Х12Н2В2МФ (ЭИ961), 14Х12В2МФ (ЭИ756), 18Х12ВМБФР (ЭИ993) [1-3].

Сталь ЭИ756 была использована в качестве труб как для изготовления высокотемпературных поверхностей нагрева котлов, так и для паропроводных систем, сталь ЭИ993 -- для крепежных деталей, из стали 15Х11МФБЛ изготовлены стопорные клапана и внутренний корпус цилиндра высокого давления турбины КI300. Трубные элементы из стали ЭИ756 успешно отработали эксплуатационный ресурс до 200000 часов на ряде тепловых энергоблоков высокого давления [4]. Однако в отечественном энергомашиностроении перечисленные стали не нашли широкого применения из-за трудностей в металлургическом переделе данного класса и получении однородных и высоких показателей вязкости и пластичности металла.

В 90 -е годы для пароперегревателей и паропроводов ТЭС в ЦНИИТМАШ была разработана хромистая сталь марки 10Х9МФБ с повышенной жаропрочностью и технологичностью в металлургическом производстве, которые были достигнуты благодаря снижению хрома до 10%, сбалансированному поликомпонентному легированию, обеспечивающему создание структур с заданным (не более 10%) содержанием d -ферри-та и формирования наряду с карбидами М23Сб термически устойчивой мелкодисперсной упрочняющей фазы V(CN). Применение стали марки 10Х9МФБ позволяет в настоящее время решить проблему эксплуатации трубных элементов и котельного оборудования в составе блоков высоких параметров при температуре до 600° [5-8]. Служебные характеристики стали марки 10Х9МФБ приведены в ГСССД 141-89 «Сталь жаропрочная хромистая 10Х9МФБ (ДИ82- Ш). Условные пределы длительной прочности в диапазоне температур 500 -- 610°С». Таблицы стандартных справочных данных, Москва, 1990 г., допускаемые напряжения -- в РД-249-98 «Нормы расчета на прочность стационарных котлов, трубопроводов пара и горячей воды», Москва, 2001.

Сравнение характеристик стали 10Х9МФБ с традиционно применяющимися для изготовления пароперегревателей и паропроводов перлитными сталями марок 12Х1МФ и 15X1 MlФ показывает возможность увеличения ресурса и существенного снижения (на 25-30%) металлоемкости трубных элементов котлов и паропроводов, работающих при традиционных температурах 540-565°С за счет уменьшения толщины стенок трубных элементов. Уровень применения сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф для паропроводов ограничивается температурой 575°С.

Тем не менее, несмотря на высокие жаропрочные и технологические свойства, сталь 10Х9МФБ до сих пор не востребована в отечественном энергомашиностроении. За период 2001-2005 гг. выполнен только один заказ по изготовлению пароперегревательных труб диаметром 42 ґ 4, 6, 7 мм из стали марки 10Х9МФБ (изготовитель труб ОАО «Первоуральский новотрубный завод») для котла станции «УОНГ -БИ», Вьетнам, (изготовитель котла ОАО «ТКЗ «Красный Котельщик»), а в 2006 г. на ООО «ОМЗ -Спецсталь» изготовлены поковки диаметром 70-600 мм для элементов турбинного оборудования, поставляемого в Индию.

В то же время за рубежом (США, Корея, Япония, Китай, Бельгия, Англия, Германия и др.) аналог стали 10Х9МФБ - сталь марки X10CrMoVNb9Il (T91/P91) широко используется для изготовления паропроводов, коллекторов и пароперегревателей с рабочей температурой до 605 °С. Срок эксплуатации трубных систем из этой стали превысил 100000 часов 191.

За счет использования стали Т91/Р91 вместо Р22 при создании блоков повышенной эффективности с КПД до 42% экономический эффект составил ~10%. Опубликованы экономические показатели применения хромистой стали Р91 для паропроводной системы блока вместо Р22 (2,25Сг-1Мо) при создании 2Iх блоков мощностью 800 МВт (параметры острого пара 550°С/28,5 МПа, промперегрева 583°С/6,7МПа. В расчете на 1 блок экономия по весу металла для паропровода острого пара составила 76 тонн, для паропровода промперегрева -- 97 тонн, т.е. 173 тонны на 1 блок, без учета дополнительной экономии металла за счет облегчения опорно-подвесной системы и снижения затрат на сварку более тонкостенных труб [10].

В Европе, Японии и США введены в действие около 20 блоков с суперсверхкритическими параметрами пара (температура более 580°С, давление более 25 МПа), работающих на угольном топливе.

Согласно концепции РАО «ЕЭС России», техперевооружение, расширение и новое строительство угольных ТЭС в России также должно осуществляться с применением энергоблоков на суперкритические параметры пара (СКП), отвечающих современным требованиям по экономичности, маневренности, ресурсу и экологическим параметрам. Инвестиционной программой РАО «ЕЭС России» намечено сооружение угольных блоков с суперсверхкритическими параметра - ми мощностью более 600 МВт с их вводом в 2009-2010 гг.

В связи с этим возникла необходимость комплексной разработки новых конструкционных материалов и подготовки к переходу на супер-сверхкритические параметры угольных блоков. В 2005-2006 гг. ОАО «НПО ЦНИИТМАШ» выполнены работы по созданию новых хромистых сталей с повышенной жаропрочностью при температурах до 620°С для котельного, паропроводного и турбинного оборудования. При разработке новых материалов и изготовлении металлических полуфабрикатов из них решались следующие базовые задачи:

* обеспечение необходимого уровня служебных и технологических свойств металла промышленного производства;

* технологическое освоение полного цикла изготовления элементов энергетического оборудования в условиях отечественных металлургических и машиностроительных заводов.

За основу разработки были взяты отечественные стали марок ЭИ756 и 10Х9МФБ. На основании исследования сетки лабораторных плавок с применением комплексного поликомпонентного легирования стали с (9-10%) хромом, молибденом, вольфрамом, ниобием, микролегирования азотом, бором и церием, с ограничением содержания цветных примесей: алюминия, олова, свинца и мышьяка, современных технологий выплавки, прокатки разработаны новые хромистые стали марок 10Х9В2МФБР для труб и 12Х10М1В1ФБР для роторов высокого и среднего давления паровых турбин блоков СКП с уровнем рабочих температур металла до 600-620 °С.

Изготовлены опытно -промышленные партии трубной заготовки и труб из стали марки 10Х9В2МФБР и поковка полноразмерного макета ротора массой 20 т из стали 12Х10М1В1ФБР для ступени высокого давления блока 225 МВт. Трубная заготовка изготовлена на ОАО «Златоустовский металлургический завод», паропроводные трубы размером 465 75 мм и 377 ґ 50 мм на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод», поковка ротора на ООО «ОМЗ -Спецсталь».

В таблице 1 приведены расчетные значения длительной прочности за 10⁵ часов в интервале температур 550-650°С новых сталей в сопоставлении с ранее разработанными (ЭИ756, 10Х9МФБ) и применяемыми в настоящее время (12Х1МФ, 15Х1М1Ф).

Новые стали обладают существенно более высокой длительной прочностью. При 600°С предел длительной прочности за 10⁵ часов стали 10Х9В2МФБР составил 135 МПа, что на 30% выше, чем стали ЭИ 756 и 10Х9МФБР, и эта разница значительно возрастает при повышении температуры до 650°С. Длительная прочность стали 12Х10В1М1ФБР также выше, чем у сталей ЭИ 756 и 10Х9МФБ, при 600°Сs₁₀5 = 102МПа.

хромистый сталь жаропрочность блок

На рисунке 1 приведен уровень максимальной температуры применения жаропрочных сталей по критерию длительной прочности 100 МПа за 10⁵ часов, который достаточно широко используется за рубежом при разработке новых жаропрочных сталей для блоков с суперсверх-критическими параметрами [11].

Из сравнения полученных по этому критерию данных следует, что оптимальный диапазон использования теплоустойчивых и жаропрочных сталей находится на 20-30°С ниже допустимой температуры применения. Это положение достаточно точно выполняется для традиционно применяемых котельных и паропроводных материалов, в т.ч. для перлитных сталей 12Х1МФ и 15X1 MlФ и аустенитной стали типа 12Х18Н12Т. Применение сталей типа 10Х9МФБ и 12Х11В2МФ (ЭИ756) позволяет сохранять оптимальные характеристики паропроводных и котельных систем вплоть до температуры 590°С. Это положение проиллюстрировано выше при описании зарубежного опыта использования хромистой стали Т91/Р91 для пароперегревателей и паропроводов острого пара с температурой до 600°С.

По предварительной оценке жаропрочных характеристик, на основе испытаний металла лабораторных плавок, предельный температурный уровень применения стали 12X10М1В1 ФБР составляет 600°С. Это обстоятельство так же подтверждается зарубежными данными, по которым жаропрочные хромистые стали для поковок роторов, одновременно легированные вольфрамом и молибденом в пределах 1-1,5%, применяются до уровня температур 605°С. Жаропрочная хромистая сталь 10Х9В2МФБР обладает достаточно высокой жаропрочностью вплоть до температур 650°С и рекомендуется для изготовления паропроводов острого пара угольных блоков с супер-сверхкритическими параметрами пара мощностью 660 МВт.

Перспективные направления работы:

1. Для блоков с суперсверхкритическими параметрами разработаны новые хромистые стали с повышенной жаропрочностью до температур 620°С: сталь 10Х9В2МФБРIШ для паропроводов и сталь 12Х10М1В1ФБР для роторов, которые прошли производственное опробование при изготовлении трубной заготовки в условиях завода ОАО «Златоустовский металлургический завод», труб размером 377 ґ 50 мм и 465 ґ 75 мм на ОАО «Челябинский трубопрокатный завод» и поковок ротора весом 22 т на ООО «ОМЗ -Спецсталь» (Ижора).

2. По предварительным оценкам (испытания продолжаются), предел длительной прочности стали 10Х9В2МФБРIШ при 620°С за 10⁵ часов составляет ПО МПа, а стали 12Х10М1В1ФБР при 600 °С за 10⁵ часов - 102 МПа.

3. Работы продолжаются в направлении нормативного обоснования применения новых сталей марок 10Х9В2МФБРIШ и 12Х10М1В1ФБР для изготовления базовых элементов энергооборудования блоков 660 МВт с суперсверхкритическими параметрами при участии ОАО «НПО ЦНИИТМАШ», ОАО «ВТИ» и ОАО «ЦКТИ».

Литература

1. Руководящие указания. «Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлостроении».-- Вып. 16. Ленинград: ЦКТИ, 1966.

2. ПБ10-574-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов».

3. ПБ10-573-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов».

4. Шешенев М.Ф., Лагутина Л.В. и др. «Исследование двухфазной 12% хромистой стали в процессе длительной эксплуатации»: Материалы конференции «Деформация и разрушение теплоустойчивых сталей».-- М.: ЦНИИчермет, 1983.

5. Борисов В.П., Щенкова И.А. и др. «Высокохромистые стали в котлостроении».//Теплоэнергетика, 1990.-- № 2.

6. Марочник сталей и сплавов под редакцией Зубченко А.С.-- М.: Машиностроение, 2001.

7. Скоробогатых В.Н., Щенкова И.А. «Жаропрочные хромистые стали для оборудования ТЭС -- опыт и перспектива применения».//Энергетик, 2007.- № 7.

8. Скоробогатых В.Н., Щенкова И.А., Борисов В.П. «Перспективы использования хромистых сталей в тепловой энергетике».//Теплоэнергетика , 1999.--№ 5.

9. Skorobogatykh V.N., Hahn В., Cretsehmann V., Mitroshina LA. «Pipes for severe servise stress».//The Vallourec &MannesImann. Tubes Magazine, 2006.- № 17.

10. Блюм Р. и др. «Новые марки высокотемпературных ферритоIмартенситных сталей из США, Японии и Европы»: Сборник докладов на международной конференции, посвященной оценке остаточного ресурса и продлению срока службы энергоблоков ТЭС, работающих на органическом топливе.-- М.: ВТИ, 1994.

11. Abe F. «Alloy Design of Creep and Oxidetion Resistant 9Cr steels for Thick Section Boiler Components Operoting at 650°C,4th EPRI Internationel Technology for Fossil Power Plants», SC, USA, October 25-28, 2004.

Журнал «Энергонадзор и энергобезопасность» №1, 2008 г., http://www.iestream.ru/

Размещено на Allbest.ru