不锈钢在燃煤电厂的应用

为了提供生产成本相对较低，污染更少的电能，目前正在研发一种新的粉煤发电设备，这种设备的效率非常高，其运行时的蒸汽压力和温度要比目前运行的压力和温度高得多。

该项目称之为“现代超超临界(AUSC)燃煤电厂”，是由美国能源部，俄亥俄州煤开发办公室赞助的。该项目已设定1400℉/5000 psi作为目标。欧洲也正在进行这方面的研究，它们称之为AD 700项目。在这些条件下，电厂运行的效率估计会提高31%，即从当前的35%提高到46%。

促使这些现代超超临界(AUSC)燃煤电厂成功的主要技术是有了可利用的具有高蠕变强度，耐腐蚀和加工性能好的材料。

一、蒸汽侧氧化

关于蒸汽侧的氧化问题，美国进行的项目已完成在650℃(1到17个大气压)，700℃(17个大气压)和800℃(1到17个大气压)的试验。氧化速率符合抛物线定律，速率常数与文献数据一致。在铁素体钢中，两种新的钢种：MARB2[由日本科技厅国立金属研究所(NRIM)开发]和VM12(由Valourec Mannesman钢管公司研制)的重量增加/金属损失最低，而其他所有2%～9%Cr的钢都遭到迅速氧化。
一旦铬的含量水平达到10%的临界值，氧化敏感性就与铬的含量水平无关。重量损失最低的铁素体钢的剥落趋势也最低。在合金T23，T91和T92上就清楚地观察到了剥落。我们发现，在奥氏体钢当中，347HFG钢的氧化皮剥落趋势最大。
我们发现对超级304H和347HFG进行喷丸处理可提高其性能。然而，有些12Cr钢(如T122)的氧化特性的变化相当大。氧化敏感性表明无规律的温度相关关系，很明显，这是因为12Cr钢具有形成恒定的起保护作用的氧化层的能力，12Cr钢通常对微量合金含量的变化、表面状况、试验条件变化等因素不敏感。然而，研究表明，一些12Cr钢(VM12)就像某些奥氏体和镍基合金那样，确实形成一种起保护作用的氧化层。

二、燃烧侧腐蚀

这种腐蚀，也称之为煤灰腐蚀，其腐蚀原因是在上世纪50年代末发现的。现在人们普遍认为是在过热器和加热器管道表面形成熔融碱性三价硫酸铁所致。熔融碱金属硫酸盐使表面的保护氧化物(铬、镍、钼和铁)融化，因此造成加速氧化和硫化。

实验室在温度最高为1200℉时对22种合金和涂层的测试结果表明，当SO2和碱金属硫酸盐的浓度增加时，金属损失一般也增加。最大腐蚀速率的温度为钟形曲线，但是，当合金成分，SO2水平，碱度和CaO浓度变化时，曲线在宽度方向有偏移和变化。

当SO2和碱度水平低时，没有发现点腐蚀，但是，当SO2和碱金属硫酸盐浓度很高时，点腐蚀就很多，特别是不锈钢和镀铬涂层钢更是如此。研究还表明，耐煤灰腐蚀主要取决于合金的铬含量。铬含量在22%或以上时，耐腐蚀效果一般令人满意。这样，对于中等腐蚀环境来说，使用标准材料如347不锈钢可满足使用要求。然而，在腐蚀更加严重的环境中，就需要使用耐腐蚀性能更好的材料，如，310型或310HCbN(SumitomoHR3C,ASME规范2115)。换句话说，在现代超超临界(AUSC)燃煤电厂条件下，需要采用像In72这样的高铬合金进行堆焊或包层。

三、实验室试验结果

在美国进行的项目，实验室试验已经结束，试验是在温度最高为1500℉，试验环境模拟了存在适当沉积物和气体混合物的水冷墙和过热器/加热器条件下进行。到目前为止，过热器/加热器腐蚀的结果有助于我们得出下列结论：

• 美国中西部和东部的煤含硫高，其腐蚀性要比西部的煤的腐蚀性大得多。
• 腐蚀作用与铬含量有关，当铬含量增加到22%～27%时，腐蚀迅速下降，然后趋于稳定。
• 含铁的镍基合金，如合金HR3C(53Fe-25Cr-20Ni)，353 (36Fe-35Ni-25Cr-1Si)，120(37Ni-35Fe-25Cr)和HR6W(40Ni -25Fe-23Cr-6W)的性能优于不含铁的镍基合金。
• 在镍基合金中，Inconel 740的耐腐蚀优于Haynes 230和 CCA 617。
• 在所有试验条件下，含有1%以上钼的合金的性能均不好。
• 在堆焊中，I n c o n e l - 7 2 (典型的4 2 C r )和Inconel-52(典型的28Cr)的性能在各种温度下优于Inconel-622(典型的21Cr)，Inconel-72优于52。在温度650℃(1200℉)和704℃(1300℉)，72和52优于铬含量为22%～27%的可锻合金。
• 关于(在超级304H上的)扩散涂层，FeCr和SiCr涂层比AlCr涂层要好，它具有广泛的表层下渗透性。FeCr和SiCr涂层与堆焊相似，但是，由于涂层薄，会迅速被撕裂。

四、现场试验结果

通过实际锅炉的过热器和加热器中环形管道材料的试验可对合金使用性能进行更加真实可靠的评估。现代超超临界(AUSC)燃煤电厂锅炉的运行条件是模拟对蒸汽流进行节流来使金属的温度达到760℃(1400℉)的。试验过程中运行参数是远程监测的。导管一直在监控下运行，并在设备停车时通过测量钢管的直径来检测高温腐蚀损失，同时拍下表面状况。现场还测试了不同合金的试样，来测试燃烧侧合金的耐腐蚀性能。

五、炉子的水冷炉墙

炉子的水冷炉墙也有一面暴露在火中，但是，运行条件，沉积物和由此而产生的腐蚀机理与过热器和加热器截面不同。对某些燃煤，特别是东部产的烟煤，采用降低NOX排放的新燃烧系统也导致采用低合金钢制的水冷炉墙严重腐蚀。
人们怀疑实际的燃烧侧腐蚀机理是含有H2S的亚化学气体和含有碳、硫酸铁、碱金属氯化物的沉积所致。超超临界火力发电厂的水冷炉墙温度更高，其腐蚀速率明显高于现在的燃煤发电厂。

从耐腐蚀观点来说，建议过热器和加热器管道及水冷炉墙用的许多合金用于燃烧低硫煤的超超临界发电厂。然而，对燃烧高硫煤的超超临界发电厂来说，高强度镍基合金可能耐腐蚀性能不足。特别是含钼量在1%以上的合金更是如此。
对这些电厂来说，就需要用更加耐腐蚀的材料，如堆焊或扩散涂层，来保护管道。对水冷炉墙部分的9%～12%Cr铁素体钢来说也是如此。根据损耗数据，Si-Cr和Fe-Cr涂层提供的耐腐蚀性能最好，但是，这种涂层比堆焊要薄得多，会迅速遭到损坏。因此，使用像IN72这种适当的堆焊材料可延长使用寿命。

六、加工性能研究

对合金的加工性能方面的评估研究已完成，所以，可以找出潜在的问题。在加工两个蒸汽试验环形管道过程中我们已取得了对Haynes230,Inconel 740,HR6W, CCA 617和超级304H不锈钢进行焊接、机加工、切割、钻孔和打磨方面的经验。利用合金Inconel 52，Inconel 72和Inconel622进行保护性堆焊覆层已成功用于测试环形管道的管道部分。在锅炉中安装测试环形管道过程中，演示了现场焊接。

对超超临界蒸汽合金再结晶/析出行为特性进行材料的变形试样抽查是通过专用锥形管道试样在控制应变(范围从0～50%)条件下完成的。在生产设备上成功地演示了用Haynes 230和HR6W生产的U型弯管的复杂过程(2英寸外径×0.4英寸MW)。U型弯管产生的应变为15%，20%和35%。

现在已完成了几种超超临界蒸汽合金的型锻试验。有关镍基合金的再结晶行为，相析出和溶解方面的数据也已整理完成，这有助于理解和制定加工程序。根据研究，现已制定出了备用合金的焊接程序。

至今，研究了两种产品，钢管和板材。而且，同时开发了15种材料/产品形式/焊接工艺的焊接程序。设计了三种异金属焊缝配置的焊接程序，评估了不同组合焊件的性能。到现在为止，焊接管道不难，而焊接厚钢板却不容易，特别是焊接析出硬化合金，如Inconel 740。

在对化学成分进行微小变化后，最近完成了5/8英寸厚钢板的气体保护金属极弧(GMAW)的焊接程序。而且，为了改进焊接性能，正在研究对合金进行进一步修改。正如在本项目中演示的加工性能那样，制造了一个全尺寸模型的集管（如下图）。模型通过钢板弯曲，环缝焊接，缝隙焊接，插口焊接，机加工，模锻，钻孔，在CCA617，超级304H和T91之间进行异金属焊接将CCA6M合金加工成集管形状以显示CCA 617合金的加工性能。

成型：集管和管道是挤压成型，钢管进行了弯曲，管端进行了型锻
机加工：集管和管道的焊缝坡口，纵焊缝和环焊缝，管道与集管间的插口焊缝坡口，管道环形焊缝的焊缝坡口
焊接：集管和管道的纵焊缝和环焊缝采用埋弧焊(SAW)，管之间的接头采用气体保护钨极电弧焊(GTAW)，管道和集管插口接头，异体金属焊接采用气体保护金属极电弧焊(SMAW)和气体保护钨极电弧焊(GTAW)

目前正在进行的项目的第二阶段，正在研究其他便于CO2捕获的技术，如氧燃料燃烧的技术。在该过程中，燃料是利用氧气而不是空气进行燃烧的，这样，燃气流更多的是浓缩的CO2，因此更加容易进行捕获。在这方面遇到的材料问题可能完全不同，需要进行研究。而且还在进行有关现代超超临界(AUSC)燃煤电厂透平机用材料的研究。