摘 要：本文概述了目前世界各国正在进行的700℃参数超超临界火电机组锅炉合金的进展，用于700℃壁温大口径管和用于750℃小口径管的特点和性能，选材的取舍和难点。
前言
目前我国一次能源结构ㄨ中煤炭占主导地位，是世界上最☉大的煤炭生产国和消费国，这种结构今后几十年不会有大的变化，2010年我国消费原煤31.8亿吨，其中火电用煤超过50%。预计2020年全国发电装机容量将由现在约9.5亿千瓦发】展到Ψ17亿千瓦，煤电装机容量超过10亿千瓦。我国已ㄨ经承诺2020年单位GDP的二氧化碳排放比2005年下降40～45%，因此，火电机组提高参数以提高热效率、降低气体排放量是关键问题。2010年7月国家能源局就︼决定启动700℃先进超超临界火力发电机组的研制。
欧洲于1998年1月启动“AD700”计划，目标⊙是建立37.5MPa/705℃/700℃(1998-2014)示范电站，机组热效率超过▓50%。美国的目标是开发37.9MPa/732℃/760℃(2001-2015)机组，热效率超过50%。日本于2008年8月启动A-USC(先进的超超临界压力发电)项目，35MPa/700℃/720℃，热效率48～50%(2008-2015)。
蒸汽参数与电厂热效率、发电煤耗的关∩系列于表1。
表1 蒸汽参数与电厂热效率、发电煤耗
| 序号 | 机组类型 | 蒸汽压力 | 蒸汽温度 | 发电〒热效率 | 发电煤耗 |
| 1 | 亚临界机组 | 16.7MPa | 538℃/538℃ | 42.3% | 291g/kWH |
| 2 | 超临界机组 | 24.2MPa | 566℃/566℃ | 43.8% | 281g/kWH |
| 3 | 600℃超超临界机组 | 25.0MPa | 600℃/600℃ | 45.4% | 271g/kWH |
| 4 | 600℃二次再◢热超超临界机组 | 35.0MPa | 600℃/620℃/620℃ | 48.2% | 255g/kWH |
| 5 | 700℃二次再热超超临界机组 | 35.0MPa | 700℃/720℃/720℃ | 51% | 241g/kWH |
我国火电机组经历了20年的国☆产化过程，已经成熟地生产600℃参数的超超临界机组，并大量投入运行。20年来机组设计水◣平极大提高，制造能力√很强，钢厂的设备先进，工艺稳定，技术水平♀一流，为开发700℃机组奠定了基础。
1. 700℃壁温锅炉合金的进展
世界各主要国家都对700℃使用的锅炉合金开展了大量的∞研究，欧洲重点开展了Inconel 617和Nimonic 263合金◥的研制，美国开展了ω Inconel 617、Haynes 230和Inconel 740H合金的研※制，日本开〒展了HR6W、SAVE25、HR35、18-30-3、Inconel 617、Haynes 230、Nimonic 263合金的≡研制，瑞典〇开展了Sanicro 25合金的研制。我国也已开展研制，中科院沈阳金属研究所研制GH2984合金，钢铁研究总院研制G110合金。
700℃使用合金的主要成分列于表2,使用合金700℃的持久强度列于表3。
Inconel 617是原国际镍↙合金公司(INCO Alloys International)在上世纪70年代开发的固溶强化的高温合金，合金中添加≡了Al和Ti形成少【量的γ""相(约4～5%)析出强化，在时效态合金中还有少量M6C相和Ni2(Cr、Mo)相，没有发现σ相和μ相。已纳入ASME Code Case 1956。德国蒂森克虏伯的VDM公司进行成分优化发展了CCA 617。在欧洲AD700示范电站已选▲为700℃使用」的主蒸汽管道用材。
表2 700℃使用合金的主要成分(wt%)
| 牌号 | C | Cr | Ni | Co | Mo | W | Nb | Ti | Al | Si | Mn | Fe | Cu | 其他 |
| Inconel 617(美)(CCA 617) | 0.06 | 22 | 余 | 12.0 | 9.0 | — | — | 0.4 | 1.0 | ≤1.0 | ≤1.0 | ≤1.5 | ≤0.5 | ≤0.006B |
| Inconel 740H(美) | 0.03 | 25 | 余 | 20 | 0.5 | — | 1.5 | 1.35 | 1.35 | 0.15 | 0.3 | 0.7 | 0.001B | |
| Nimonic 263(英) | 0.04-0.08 | 19-21 | 余 | 19-21 | 5.6-6.1 | — | — | 1.9-2.4 | ≤0.60 | ≤0.40 | ≤0.60 | ≤0.7 | ≤0.20 | ≤0.005B |
| Haynes 230(美)(CC 2063) | 0.10 | 22 | 余 | ≤5.0 | 2.0 | — | — | — | 0.3 | 0.4 | 0.5 | ≤3.0 | 0.02La0.004B | |
| HR6W(日) | 0.08 | 23 | 43 | — | — | 6 | 0.08 | — | — | 0.4 | 1.2 | 余 | 0.18V0.003B | |
| HR35(日) | 0.06 | 30 | 50 | — | 2.0 | 4.0 | — | 0.8 | — | 0.3 | 0.2 | 余 | 0.3Zr | |
| SAVE25(日) | 0.10 | 23 | 18 | — | — | 2.5 | 0.45 | — | — | 0.1 | 1.0 | 余 | 3.5 | 0.2N |
| 18-30-3(日) | 18 | 30 | 3.0 | 余 | 0.007B | |||||||||
| GH 2984(中) | 0.06 | 19 | 余 | — | 2.2 | — | 1.1 | 1.1 | 0.4 | ≤0.5 | ≤0.5 | 33 | ||
| G110(中) | ≤0.10 | 20-25 | 30-35 | — | 1.0-2.5 | 1.0-2.5 | 1.0-2.5 | 1.0-2.5 | 1.0-2.0 | ≤0.5 | ≤0.5 | 余 | ||
| Inconel 625(美)(CC 1409) | ≤0.10 | 20.0-23.0 | 余 | ≤1.0 | 8.0-10.0 | — | 3.15-4.15 | ≤0.40 | ≤0.40 | ≤0.50 | ≤0.50 | ≤0.50 | ||
| Sanicro 25(瑞典) | 0.08 | 22.6 | 25.5 | 1.57 | 0.02 | 3.45 | 0.44 | — | — | 0.25 | 0.50 | 余 | 3 | 0.24N |
表3 700℃使用合金700℃持久强度(105h外推值)
| 牌号 | 国家 | 持久强度 | 状况 |
| Inconel 617(CCA 617) | 美国 | ～130 | CCA 617合金是在Inconel 617(ASME CC1956)基础上的改々型，已制成大管，欧洲已有3万小时数据 |
| Inconel 740H | 美国 | 220～230 | 是Inconel 740合金的改进型，组织稳定，美㊣ 国已试制成功大管。 |
| Nimonic 263 | 英国 | ～180 | |
| Haynes 230(CC 2063) | 美国 | 105～110 | 已试制大口径管 |
| HR6W | 日本 | 88 | 日本已▆试制成功大口径合金管，大管持久强度外推值为88MPa，焊接接头外推值为85MPa |
| HR35 | 日本 | ～110 | 已＠试制管材，持久试验已进行5万小时 |
| SAVE25 | 日本 | ～90 | |
| 18-30-3 | 日本 | 100 | 已试制管材，持久试验已超△过14000 h |
| GH 2984 | 中国 | 100 | 上世纪80～90年代生产的小管已应用10年 |
| G110 | 中国 | ～100 | 正在试验过程中 |
| Sanicro 25 | 瑞典 | 90～100 | 已试制Φ41.4×8mm管 |
Inconel 740是美国特殊金属公司(SMC，Huntington)于2001年开发的高温合金，主要依靠γ""相析出强化，γ’相约占10%~15%，时效态还有①少量MC和M23C6碳化物，晶界上有G相析出，750~760℃长时时效态有较多的η相析出。经过＠ 成分优化研究开发出Inconel 740H，消除了G相和η相，保证了高温长时组织稳定。美国公司已经生产出大口径合金管，持久强度试验已超过2万小时，并推荐主蒸汽管道等大口径管用Inconel 740H合金。由于Inconel 740H合金的持久强度很高〓，可以使◆管壁减薄，降低成本，目前有争议的是Inconel 740H合金∩高温长时时效态的室温冲击韧性较低，是否满足大口径厚壁管的应用。
Nimonic 263是英国Rolls-Royce公司于1971年开发的高温合金，加入6% Mo主要起固溶强化作用，加入Ti和Al析出约6%的γ’相∴形成析出强化，高温时效态有少量MC和M23C6碳化物，有少量η相存在。由于持久强▼度高，700℃使用的大口径管可以减壁厚。
Haynes 230是美国哈氏合金公司(Haynes International)开发的固溶强化高温合金，并已纳入ASME Code Case 2063。高温时效态有M23C6碳化物，没有σ相，μ相析出，组织稳定。
HR6W是日本住友〇金属公司椹木義淳等人于1986年卐研制成功的Fe-Ni基合金，主要依靠W的固溶强化，B的间隙固溶强化和Nb、V形成纳米级MX相的↙析出强化。高温长时时效态组织稳定。日本已经试制大口※径厚壁管，700℃105h外推▃持久强度88MPa，焊接接头持久强度85MPa，该合金的热加工性能较好。
HR35是日本住友金属公司仙波润之等人近年来新研制的固溶强化高温合金，主要依靠W、Mo的固溶强化，并有Laves相和α-Cr相析出。该合金含30%Cr抗腐蚀性优良▲，持久强度高。
SAVE25是日本住友金属公司仙波润之、椹木義淳等人于1997年研制成功的锅炉耐热钢，是在HR6W钢的基础上降Ni，降W，添加Cu、Nb和N，使钢的高温持久强度与HR6W相当。其强化〖特点是加入1.5%W和0.2%N形成固溶强化，析出相强化有M23C6、Nb(C、N)、Z相及富Cu相强化。钢中没有Cr2N和π相。高温抗腐蚀性能与HR3C相当，700℃105h外推持久强度91MPa。
18Cr-30Ni-3Nb是日本约2006年研制的Fe-Ni基合金，该合金依靠Nb和B的固溶强化、Fe2M的Laves相和Ni3M析出相的析『出强化，B的添】加改善了Laves相在晶界的析出状态。700℃105h持久强度外推值100MPa，目前持久试验已经超过14000h。
GH2984是我国中科院沈阳金属所在上世纪70年代研制成功○的Fe-Ni基高温合金，依靠Mo的固︼溶强化和γ’相的析出强化，时效态合金中约有7.66%γ’相和3.09% σ相。该合金管Φ25×2.5mm在舰船锅炉使用已达10年以上。
G110是我国钢铁研究总院研制的Fe-Ni基合金，依靠W、Mo、Nb的固溶强◣化和γ’相的析出强化，时效态γ’相超过10%，并有少量Laves相、M23C6相及σ相。700℃105h持久强度可能达〗到100MPa。
Inconel 625是美国金属公司研制的固溶强化高温合金，已纳入ASME Code Case 1409。主要依靠Mo和Nb的固溶强化，有少量γ’相。该合金组织稳定，持久强度高。
Sanicro 25是瑞典山特维克◥公司(Sandvik Materials Co.)研制的Fe-Ni基合金，主要依靠W和N的固溶强化和M23C6、NbCrN(Z相)、Nb(C、N)(即MX相)的析出强化以及富Cu相的强化。已经试制成功Φ41.4×8mm的合金管，700℃105h持久强度外推值100MPa，目前持久试验进行已超过25000h，对比试验表明高于NF709和HR3C。
2. 750℃壁温锅炉含量的进展
世界主要国家╱对750℃使用的锅■炉合金同时开展了大量的研究，美国开展了Inconel 740H合金、CCA617合金和Haynes 282合金的研制、欧洲开展了Inconel 740H合金、CCA617合金和Nimonic 263合金的研制，日ㄨ本开展了Inconel 740H、CCA617、Nimonic 263以及TOS1X、LTESR700、FENIX700合金的研制。
750℃使用合金的主要成分列于表4,使用合金750℃的持久强度列于表5。
表4 750℃使用合金的主要成分(wt%)
| 牌号 | C | Cr | Ni | Co | Mo | Nb | Ti | Al | Si | Mn | Fe | Cu | |
| Inconel 740H(美) | 0.03 | 25 | 余 | 20 | 0.5 | 1.5 | 1.35 | 1.35 | 0.15 | 0.3 | 0.7 | 0.001B | |
| Nimonic 263(英) | 0.04-0.08 | 19-21 | 余 | 19-21 | 5.6-6.1 | — | 1.9-2.4 | ≤0.60 | ≤0.40 | ≤0.60 | ≤0.7 | ≤0.20 | ≤0.005B |
| Haynes 282(美) | 0.06 | 20 | 余 | 10.0 | 8.5 | — | 2.1 | 1.5 | ≤0.15 | ≤0.30 | ≤1.5 | 0.005B | |
| Inconel 617(美)(CCA 617) | 0.06 | 22 | 余 | 12.0 | 9.0 | — | 0.4 | 1.0 | ≤1.0 | ≤1.0 | ≤1.5 | ≤0.5 | ≤0.006B |
| Inconel 625(美)(CC 1409) | ≤0.10 | 20.0-23.0 | 余 | ≤1.0 | 8.0-10.0 | 3.15-4.15 | ≤0.40 | ≤0.40 | ≤0.50 | ≤0.50 | ≤0.50 | ||
| GH 2984(中) | 0.06 | 19 | 余 | — | 2.2 | 1.1 | 1.1 | 0.4 | ≤0.5 | ≤0.5 | 33 |
表5 750℃使用合金持久强度(105h外推值)
| 牌号 | 国家 | 持久强度 | 状况 |
| Inconel 740H | 美国 | 140～170 | 美国金属公司已经№向欧洲、日本供管。 |
| Nimonic 263 | 英国 | 105～110 | 欧洲和日本都进行持久试验。 |
| Haynes 282 | 美国 | 110～120 | 美国Haynes公司∏已经生产出管，具体试验数据不♂详。 |
| Inconel 617(CCA 617) | 美国 | ～80 | 美国、欧洲和日本在750℃选材上一般未选CCA 617。 |
| Inconel 625 | 美国 | ～100 | 欧、美在选材上一般都未选此合金。 |
| GH 2984(中) | 中国 | ～50 | 未进行750℃管材长时持久试验。 |
Haynes 282是美国Haynes公◆司开发的高温合金，加入8.5%Mo和0.005%B形成固溶强化，添加2.1Ti-1.5%Al形成γ’相的析出强化。
日本新公布的TOS1X合金、LTESR700合金及FENIX700合金试验性能尚不清楚。
3. 选材对比
3.1 关于700℃使用合金的选材
欧洲在示¤范工程中选用CCA617用作大口径管，经过22000h试验在焊接热影响区发∑生开裂，其原因至＠今未公布，导致工程延期。根据管材的试验，持久性能良好，是由于焊材的问题还是过渡区的问题，尚不清楚。美国々金属公司认为可以选用Inconel 740H制作大口径管，而且已经制作〖成功，正在进行相关试验，由于持久强度高可以减壁厚，同时，由于热变形抗力小，热加工相对容易◥。有学者研究认为Nb含♀量高对焊接性有不良影响，美国金属公司认为已降至1.5Nb%解决了焊接性能的问题。日本学者认为高Ni的Ni基合金不适宜作大口径管，一々是成本高，二是采用□中等Ni含量的Fe-Ni基合金是可以解决的，因此一直进行HR6W、HR35、SAVE以及2518-30-3合金的试验研究。我国的GH2984合金尚未进行大口径管的试制和焊接性能研究。就目前←情况对比，倾向的看法是选用CCA617合金管，但仍需深入进行焊接工〇艺和性能研究。
3.2 关于750℃使用合金的选材
从目前各国选材情况，基本上选用Inconel 740H，其原因是：
1)Inconel 740H的高温持久强度超过100MPa，约140-170MPa，目前进行◇到约2-3万小时，在现在候№选材料中是最高的。
2)抗高温蒸汽腐蚀性能好，这是由于合金中含25%Cr的结果。
3)抗煤灰/烟气腐蚀性能好，可以满足20万小时腐蚀损失小于2mm指标。而CCA 617、Nimonic 263和Haynes 230合金都达不到。
4)组织稳定性好↓，通过成分优化研究改型的Inconel 740H已经▲消除了G相和η相，而Nimonic 263中存在η相，GH2984中存在σ相。
5)焊接性能通过了欧洲的相关试验。
6)加工工艺性能：热加工高温抗力比Nimonic 263和Haynes 282都小，有利于热挤压成型。合金管的冷ω弯试验表明冷弯性能良好。
7)经济性：与Nimonic 263相比Inconel 740H成本要低些』。
从上述情况表明Inconel 740H的优势比Nimonic 263合金要大。
近来，美国Haynes公司推荐Haynes 282合金，有一定的可〗能性，但是，由于Haynes公司公布的数据太少，缺少对比性，还需要进一步了解和对比。