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[摘要]材料技术是超临界机组发展的关键问题。在发展超超临界机组时，首先考虑的就是材料问题。超临界技术是当今世界上一项既成熟又在发展的火电技术。由于蒸汽参数的提高，為减少构件的壁厚和保证高温高压下部件的可靠性，必须配套研发相应级别的耐高温、高压材料。本文根据国内、外一些文献和资料，对超临界及超超临界机组锅炉用钢的发展作以简单的阐述。
[关键词]超临界；火电厂；钢材料
提高火力发电机组的参数，是提高机组效率、可靠性和节能环保的最重要途径。随着发电机组中锅炉压力的提高，水的饱和温度也相应提高，汽化潜热相应减少，饱和水及饱和蒸汽的比重差也随之减少。当压力达到临界压力时，汽化潜热等于零，汽水比重差也定于零。水在这个压力下，加热至374℃时即被全部汽化。超临界火电机组具有显著的节能和改善环境的效果。而材料技术的进步与发展，是发展超临界机组的关键技术之一。
1、开发新钢种的必要性
1.1从锅炉设计角度考虑
为了保证锅炉设备中一些承压部件运行安全，尤其是对超临界参数的锅炉部件，例如过热器、再热器进出口联箱，所选用材料的壁厚较大。但是选择较大的壁厚会使该处的应力变大。为了提高蒸汽参数、确保设备安全：一方面需要增加壁厚，留出尽量大的壁厚安全裕度；另一方面又必须尽量减小部件所受应力值。这种矛盾对锅炉承压部件的设计产生了制约，既不利于蒸汽参数向更高等级发展，也不利于锅炉容量的增加。
例如原苏联1200MW级锅炉，其最终的设计选材：锅炉炉膛水冷壁管子材料采用12Cr1MoV钢。屏式过热器管子材质为Cr18Ni12Ti。再热器管子材料为12Cr1Mo。省煤器管子材料为20号钢。上述情况可以看出，承压部件选用钢种与新发展钢种相比，等级较低，甚至不及近期投产的一些亚临界参数，因此对锅炉设备的性能，如热强性、防磨损、防腐蚀等也造成了相应的影响。
再如德国电厂锅炉设计：EVT设计的锅炉为超临界蒸汽参数，蒸汽参数为26.8MPa，547565℃，最大连续蒸发量2420t/h，在这种容量的锅炉中，X10CrMoVB-1材料首次被使用在主蒸汽管和再热器热段管道系统中。这种材料具有更高的蠕变断裂强度，这样可以使壁厚减薄，热应力减小，同时重量的减轻又使锅炉、汽轮机和钢结构连接处的过应力减少。极大地改善了设计者对材料选择的空间，有利于机组的优化设计。
1.2从机组运行稳定性考虑
超临界压力锅炉的强迫停炉、维修与计划停役约为汽轮机、发电机和电站辅机的三倍。水冷壁管过热泄漏、过热器进出口部分管子的过度磨损、再热器管的泄漏是主要原因为了超临界机组的可靠运行，所提供的设计和制造均需精良。要使机组保持稳定运行，首先就要保持锅炉设备的稳定运行，为实现这一点 ，应选择合适的、高等级的锅炉材料。从这一点来说，开发新钢种也是很有必要的。
2、机组设计和材料研究方面在各国的现状
美国是发展超临界发电技术最早的国家。从20世纪60年代中期起，美国新建机组容量中有一半以上是超临界机组，而且在20世纪50 年代初就开始研究超超临界发电技术。由于这些机组蒸汽参数选择过高，超越了当时的金属材料技术水平，用钢方面直接搬用航空、燃机材料，使用了大量奥氏体钢，运行中出现了很多问题。如锅炉中奥氏体钢17-14CuMo过热器管高温腐蚀严重，316H奥氏体钢管因小弯头支管、屏管、连接管上出现裂纹和焊接不良等原因损坏或爆管，所以不得不降参数运行。为了提高机组可用率，美国以后发展的超临界机组多采用24.1MPa，汽温度538℃，次再热汽温多为538℃，再热为552℃/566℃，种蒸汽参数保持了20余年。80年代，国研制的T91/P91，电站锅炉用钢上具有重要的意义。
前苏联在发展超临界机组方面态度十分坚决，也是当时拥有超临界机组最多的国家。1949年投运了第1台超超临界试验机组，但是同样也存在着材料的问题。前苏联发展超临界技术主要依靠本国力量，不能吸收别国先进技术，因此总体技术水平不高。
3、新型钢的种类及发展
火电机组用钢主要分为：铁素体钢和奥氏体钢。奥氏体比铁素体钢具有更高的热强性，但热膨胀系数大、导热性小，抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳性能比不上铁素体钢，而且成本高得多。
3.1新型铁素体耐热钢
由于低合金铁素体类耐热钢应用受到抗高温氧化性能的限制，奥氏体钢因其自身的缺点不宜大量使用，而迫切希望发展既有良好的高温性能，又有较好的制造工艺性能的新型铁素体耐热钢。经过10多年高温、高压部件的应用，该系列材料已相当成熟，并已形成标准。
3.2奥氏体耐热钢的进展
在超临界锅炉中，过热器和再热器后部管子的温度是很高的，蒸汽侧抗氧化和烟气侧抗腐蚀能力是材料选择的重要因素，尤其是蒸汽侧的氧化和氧化皮的脱落会导致汽轮机的严重侵蚀，直接影响到机组的高效安全运行。因此，奥氏体钢是过热器和再热器后部管子的主要候选材料。
4、超临界机组锅炉用钢的发展目标
在材料工业发展的支持下，超临界机组正朝着更高参数的超超临界技术方向发展。根据英国贸工部对超临界蒸汽发电的预测：今后5年内，超临界机组蒸汽温度620℃。到2020年，蒸汽温度将达到650-700℃，循环效率可达到50-55%。日本、美国及欧洲正在开发适用于蒸汽参数为34.3MPa/650℃以及40MPa/700℃的新钢种系列。其中欧共体的700℃计划将在关键部件采用镍基高温合金。
我国已具备设计、制造常规超临界机组的能力，但在材料技术上与国外仍存在很大差距。我国超临界参数锅炉，包括一些亚临界参数的锅炉材料还主要依赖进口，锅炉材料的研制水平仍无法与世界上一些知名锅炉制造企业，如美国福斯特-惠勒、巴威、法国阿尔斯通等相比。目前完全依靠本国力量在材料的开发研究上有较大困难，因此，迫切需要明确方向，借鉴日本发展大容量火电机组的经验，引进、消化和掌握先进技术，使我国的火电技术向着高参数、高效率的方向稳步发展。
参考文献
[1]吴军，李辛庚.火电厂焊接技术发展现状及展望[J].国际电力，2002（01）
[2]陆延昌.大力发展超临界压力机组优化火电结构[J].中国电力，2000（01）
[3]张静媛，刘明福.关于超临界超超临界发电机组的发展[J].山西科技，2006（04）
[4]胡平.超（超）临界火电机组锅炉材料的发展[J].电力建设，2005（06）
[关键词]超临界；火电厂；钢材料
提高火力发电机组的参数，是提高机组效率、可靠性和节能环保的最重要途径。随着发电机组中锅炉压力的提高，水的饱和温度也相应提高，汽化潜热相应减少，饱和水及饱和蒸汽的比重差也随之减少。当压力达到临界压力时，汽化潜热等于零，汽水比重差也定于零。水在这个压力下，加热至374℃时即被全部汽化。超临界火电机组具有显著的节能和改善环境的效果。而材料技术的进步与发展，是发展超临界机组的关键技术之一。
1、开发新钢种的必要性
1.1从锅炉设计角度考虑
为了保证锅炉设备中一些承压部件运行安全，尤其是对超临界参数的锅炉部件，例如过热器、再热器进出口联箱，所选用材料的壁厚较大。但是选择较大的壁厚会使该处的应力变大。为了提高蒸汽参数、确保设备安全：一方面需要增加壁厚，留出尽量大的壁厚安全裕度；另一方面又必须尽量减小部件所受应力值。这种矛盾对锅炉承压部件的设计产生了制约，既不利于蒸汽参数向更高等级发展，也不利于锅炉容量的增加。
例如原苏联1200MW级锅炉，其最终的设计选材：锅炉炉膛水冷壁管子材料采用12Cr1MoV钢。屏式过热器管子材质为Cr18Ni12Ti。再热器管子材料为12Cr1Mo。省煤器管子材料为20号钢。上述情况可以看出，承压部件选用钢种与新发展钢种相比，等级较低，甚至不及近期投产的一些亚临界参数，因此对锅炉设备的性能，如热强性、防磨损、防腐蚀等也造成了相应的影响。
再如德国电厂锅炉设计：EVT设计的锅炉为超临界蒸汽参数，蒸汽参数为26.8MPa，547565℃，最大连续蒸发量2420t/h，在这种容量的锅炉中，X10CrMoVB-1材料首次被使用在主蒸汽管和再热器热段管道系统中。这种材料具有更高的蠕变断裂强度，这样可以使壁厚减薄，热应力减小，同时重量的减轻又使锅炉、汽轮机和钢结构连接处的过应力减少。极大地改善了设计者对材料选择的空间，有利于机组的优化设计。
1.2从机组运行稳定性考虑
超临界压力锅炉的强迫停炉、维修与计划停役约为汽轮机、发电机和电站辅机的三倍。水冷壁管过热泄漏、过热器进出口部分管子的过度磨损、再热器管的泄漏是主要原因为了超临界机组的可靠运行，所提供的设计和制造均需精良。要使机组保持稳定运行，首先就要保持锅炉设备的稳定运行，为实现这一点 ，应选择合适的、高等级的锅炉材料。从这一点来说，开发新钢种也是很有必要的。
2、机组设计和材料研究方面在各国的现状
美国是发展超临界发电技术最早的国家。从20世纪60年代中期起，美国新建机组容量中有一半以上是超临界机组，而且在20世纪50 年代初就开始研究超超临界发电技术。由于这些机组蒸汽参数选择过高，超越了当时的金属材料技术水平，用钢方面直接搬用航空、燃机材料，使用了大量奥氏体钢，运行中出现了很多问题。如锅炉中奥氏体钢17-14CuMo过热器管高温腐蚀严重，316H奥氏体钢管因小弯头支管、屏管、连接管上出现裂纹和焊接不良等原因损坏或爆管，所以不得不降参数运行。为了提高机组可用率，美国以后发展的超临界机组多采用24.1MPa，汽温度538℃，次再热汽温多为538℃，再热为552℃/566℃，种蒸汽参数保持了20余年。80年代，国研制的T91/P91，电站锅炉用钢上具有重要的意义。
前苏联在发展超临界机组方面态度十分坚决，也是当时拥有超临界机组最多的国家。1949年投运了第1台超超临界试验机组，但是同样也存在着材料的问题。前苏联发展超临界技术主要依靠本国力量，不能吸收别国先进技术，因此总体技术水平不高。
3、新型钢的种类及发展
火电机组用钢主要分为：铁素体钢和奥氏体钢。奥氏体比铁素体钢具有更高的热强性，但热膨胀系数大、导热性小，抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳性能比不上铁素体钢，而且成本高得多。
3.1新型铁素体耐热钢
由于低合金铁素体类耐热钢应用受到抗高温氧化性能的限制，奥氏体钢因其自身的缺点不宜大量使用，而迫切希望发展既有良好的高温性能，又有较好的制造工艺性能的新型铁素体耐热钢。经过10多年高温、高压部件的应用，该系列材料已相当成熟，并已形成标准。
3.2奥氏体耐热钢的进展
在超临界锅炉中，过热器和再热器后部管子的温度是很高的，蒸汽侧抗氧化和烟气侧抗腐蚀能力是材料选择的重要因素，尤其是蒸汽侧的氧化和氧化皮的脱落会导致汽轮机的严重侵蚀，直接影响到机组的高效安全运行。因此，奥氏体钢是过热器和再热器后部管子的主要候选材料。
4、超临界机组锅炉用钢的发展目标
在材料工业发展的支持下，超临界机组正朝着更高参数的超超临界技术方向发展。根据英国贸工部对超临界蒸汽发电的预测：今后5年内，超临界机组蒸汽温度620℃。到2020年，蒸汽温度将达到650-700℃，循环效率可达到50-55%。日本、美国及欧洲正在开发适用于蒸汽参数为34.3MPa/650℃以及40MPa/700℃的新钢种系列。其中欧共体的700℃计划将在关键部件采用镍基高温合金。
我国已具备设计、制造常规超临界机组的能力，但在材料技术上与国外仍存在很大差距。我国超临界参数锅炉，包括一些亚临界参数的锅炉材料还主要依赖进口，锅炉材料的研制水平仍无法与世界上一些知名锅炉制造企业，如美国福斯特-惠勒、巴威、法国阿尔斯通等相比。目前完全依靠本国力量在材料的开发研究上有较大困难，因此，迫切需要明确方向，借鉴日本发展大容量火电机组的经验，引进、消化和掌握先进技术，使我国的火电技术向着高参数、高效率的方向稳步发展。
参考文献
[1]吴军，李辛庚.火电厂焊接技术发展现状及展望[J].国际电力，2002（01）
[2]陆延昌.大力发展超临界压力机组优化火电结构[J].中国电力，2000（01）
[3]张静媛，刘明福.关于超临界超超临界发电机组的发展[J].山西科技，2006（04）
[4]胡平.超（超）临界火电机组锅炉材料的发展[J].电力建设，2005（06）