超超临界汽轮机转子用耐热钢研究进展

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2024年3月10日发(作者：)

超超临界汽轮机转子用耐热钢研究进展

熊林敞;田仲良

【摘 要】简述了汽轮机转子用铁素体耐热钢的发展历程.总结了对超超临界汽轮机

转子用耐热钢的性能要求.根据欧洲 COST项目中汽轮机转子用耐热钢研究的进展,

介绍了620℃等级超超临界高、中压转子用FB2耐热钢的研发和应用.论述了超超

临界低压转子用超纯净30Cr2Ni4MoV钢在国内外的研究和发展状况.展望了我国

700 ℃超超临界转子用材料的研发.%The course of development of ferritic

heat-resistant steels used for steam turbine rotor was described

performance requirements for the heat-resistant steels used for ultra-

supercritical(USC)steam turbine rotor were ing to the

progress of research on heat-resistant steels used for steam turbine rotor

of European COST project,the development of a FB2 heat-resistant steel

used for medium-high pressure ultra-supercritical turbine rotor of

620℃grade was research and development of a ultra-pure

30Cr2Ni4MoV steel used for low pressure ultra-supercritical turbine rotor

at home and abroad were addition,the development of heat-

resistant materials for ultra-supercritical turbine rotor of 700 ℃ grade was

forecasted.

【期刊名称】《上海金属》

【年(卷),期】2018(040)001

【总页数】6页(P89-94)

【关键词】超超临界;汽轮机转子;耐热钢

【作 者】熊林敞;田仲良

【作者单位】宝山钢铁股份有限公司规划与科技部,上海 201900;钢铁研究总院特

殊钢研究所,北京 100081

【正文语种】中 文

超超临界(Ultra Super Critical)燃煤发电机组具有能耗低、热效率高、运行可靠等

优点，已成为世界火电装备发展的主流。目前投入运营的火电机组蒸汽温度为

600～625 ℃，热效率可达45%。下一代700 ℃超超临界机组热效率可高达

50%[1- 3]。

转子是汽轮机中的重要零件，其质量约为几十t到上百t，在高温、高压环境中高

速旋转带动发电机发电，其材料性能的提升带动着超超临界机组的发展[4]。

1 转子耐热钢及其性能要求

1.1 转子耐热钢

目前火电机组用耐热钢主要有奥氏体耐热钢和铁素体耐热钢。奥氏体耐热钢存在热

膨胀系数大、导热系数低、抗疲劳性能差等诸多不足，不能用来制造较大型的转子。

因此，早期汽轮机尺寸都较小，发电量也较低。同时奥氏体钢热膨胀和高温下的腐

蚀导致汽轮机关停时存在一系列的问题，直到铁素体耐热钢的出现才使这些问题得

到解决，汽轮机得以快速发展[5]。

铁素体耐热钢具有热导率高、热膨胀系数低、抗疲劳性能好、抗晶间腐蚀和抗应力

腐蚀性能良好以及较低的生产成本等特点，已成为大截面主蒸汽管道、蒸汽轮机转

子及叶片等USC关键部件的候选材料。

1.2 转子耐热钢的性能要求

低压转子的工作温度一般不超过400 ℃，性能要求以常温及高温瞬时力学性能为

主；高、中压转子在400 ℃以上工作，除常温及高温瞬时力学性能外，更重要的

是高温长期服役条件下材料的力学性能稳定性。

对650 ℃级USC汽轮机转子用耐热钢的要求可归纳如下[6- 7]：

(1)较高的韧性、强度及疲劳强度；

(2)650 ℃下105 h持久强度达到100 MPa；

(3)良好的抗氧化和耐腐蚀性能；

(4)较高的热导率和较小的热膨胀系数；

(5)优异的锻造性能和良好的焊接性能。

2 转子耐热钢的发展

2.1 转子耐热钢的早期发展

早在20世纪40年代，为满足涡轮盘和汽轮叶片的要求，12%Cr(质量分数，下同)

钢得到了广泛的研究。20世纪50年代开发出的H46、Fv448等钢种，都具有良

好的持久强度。1955年德国KWU公司制造出第一支12%CrMoV钢超临界汽轮

机转子。20世纪50、60年代美国在H46的基础上降低Nb、Cr含量得到

10.5Cr1MoVNbN(GE)以及GE改进型，同时还在12CrMoV钢的基础上开发出含

W的12%Cr转子用AISI- 422钢。日本在H46基础上添加硼开发出了10.5Cr-

1.5MoVNbB钢，用于小型汽轮机转子[6]。

2.2 铁素体转子耐热钢的演变

图1是高、中压转子耐热钢的演变过程，化学成分见表1[8]。最初转子材料以

CrMoV钢为主，最高使用温度为545 ℃。为满足更高的温度和耐腐蚀性要求，引

入了12CrMo系的X12CrMoV121钢，其最高使用温度为560 ℃。随后在

12CrMoV钢的基础上添加Nb和Ta形成碳化物，以提高使用温度。日本通过添

加Ta+N，通用电气通过添加Nb+N，西屋电气通过添加W，产生了三种转子用

钢，分别为11CrMoVTaN、11CrMoVNbN、12CrMoVW钢，使用温度达到了

565 ℃。20世纪80年代，随着汽轮机耐热材料研究的发展，转子用钢的使用温

度提升到了593 ℃。在Nb- N或Ta- N钢中添加W来改善固溶强化作用，如日

本开发的TOS107(也称为GE改进型)和欧洲COST 501开发的

X12CrMoVWNbN1011(E型)。TMK1或TR1100合金则是将Mo由1%提高到

1.5%形成稳定的碳化物，其性能优于之前的12Cr钢。

620 ℃级转子钢的演变有两种不同的途径。一种是欧洲COST501研制的

X18CrMoVNbB91钢，是在X12CrMoVWNbN钢的基础上添加B去除W，达到

620 ℃蠕变强度的要求。另一种是日本在TOS107的基础上，将W的质量分数由

1%提高到1.84%的TMK2。

650 ℃级转子钢是在620 ℃级钢中添加3%Co和0.01%B，并继续提高W的质量

分数到2.7%而得到的HR1200和FN5，该等级的转子钢105 h断裂强度大于

125 MPa。

图1 HP/IP汽轮机转子用耐热钢的演变Fig.1 Evolution of heat-

resistant steels for HP/IP steam turbine rotor

表1 高温汽轮机转子用耐热钢的化学成分(质量分数)Table 1

Chemical composition of the heat- resistant steels for high-

temperature rotor(mass fraction) %合金CMnSiNiCrMoVNbTaNWBCo温

度/℃(℉)X21CrMoV1210．230．55-0．5511．71．00．30------

560(1040)11CrMoVTaN(TOS101)0．170．60-0．3510．61．00．22-

0．070．05----GE0．190．500．300．5010．51．00．200．085-0．06----

11CrMoVNbN0．160．62-0．3811．11．00．220．57-0．05---575(1070)

西屋(AISI422)0．230．800．400．7513．01．00．25---1．0---

10CrMoVNbN〛0．140．500．050．6010．21．50．170．06-0．04----

TOS1070．14--0．710．01．00．200．05-0．051．0--

593(1100)TMK2(TR1150)0．130．500．050．7010．20．400．170．06-

0．051．8---

X18CrMoVNbB91(COSTB)0．180．070．060．129．01．50．250．05-

0．02-0．10--TR12000．120．500．050．811．20．30．200．08-

0．061．8--620(1150)TOS110(EPDCB合

金)0．110．080．10．2010．00．70．200．05-

0．021．80．013．0630(1166)HR1200(FN5)0．100．550．060．5011．00

．230．220．07-0．022．70．022．7650(1200)

3 超超临界转子用耐热钢研究进展

3.1 高中压转子用耐热钢

为满足高参数超超临界汽轮机高温部件用材料的要求，欧洲开展了COST项目[9]。

该项目分COST 501(1986- 1997)、COST 522(1998- 2003)和COST 536(2004-

2009) 3个阶段，完成了600和625 ℃汽轮机转子锻件用材的开发，材料成分见

表2[10- 11]。COST 501项目开发的转子用铁素体- 马氏体耐热钢包括COST F、

COST E和COST B。COST F(与日本TMK1 相似)是在COST E的基础上，将Mo

质量分数由1%提高到1.5%并去除W而研制成的。相比于常规材料，这类材料的

蠕变强度和在制造、焊接过程中的抗脆裂性能大大改善。COST E和COST B是在

9%～10%Cr基础上分别添加1.5%Mo和1%Mo+1%W，以提高材料的蠕变强度，

将使用温度提高到600 ℃以上。目前已用COST F制造出直径1 380 mm重44 t

的转子，用COST E制造出直径1 280 mm重45 t的转子，均已应用于600 ℃的

高温环境中[12]。

COST522项目在9%～10%Cr钢中添加Co、B去除W而获得成分为9Cr-

1.5Mo- 1Co- 0.010B 的FB2耐热钢，能满足620 ℃级汽轮机高、中压转子的性

能要求，被广泛应用于德国和美国的火电厂[10]。FB2钢均匀细小的马氏体组织和

高的位错密度使其具有良好的蠕变强度，经过105 h时效处理后蠕变强度达到

100 MPa左右，相应的蠕变断后伸长率大于10%，FB2钢室温屈服强度大于

700 MPa，且淬透深度最少可达1 200 mm[13]。

表2 COST转子用耐热钢的化学成分(质量分数)Table 2

Chemical composition of the heat-

resistant steels for COST rotor(mass fraction) %COST钢种

CCrMoWVNiNbNBMn使用温度/℃1CrMoV0．251．01．0-0．25-----

55012CrMoV0．2311．51．0-0．25-----570501F0．1010．01．5-

0．200．700．050．050--

597501E0．1010．01．010．200．600．050．050--

597501B0．209．01．5-0．200．100．050．0200．010-

620522(SdF)FB20．139．321．47-0．200．160．050．0190．085-

620536FB40．189．251．5-0．300．150．060．0150．0100．3650

COST522中Boehler通过电渣浇注(BEST)工艺试制了第一支重约17 t的FB2钢

转子。另一支FB2钢转子在Saarschmiede工厂通过电渣重熔(ESR)工艺试制，其

直径1 200 mm、长4 000 mm、总重28 t。该转子钢加入了100×10-6的B和

1.2%的Co，成分见表3[12,14]。

FB2钢的热处理工艺为：1 100 ℃/17 h奥氏体化，喷水淬火。经570 ℃/20～

24 h/空冷、700 ℃/20～24 h/空冷两次回火，可保证形成回火马氏体。超声检测

(2 MHz)结果表明，直径1 215 mm的锻件热处理后最小可探测缺陷的尺寸为

2 mm， 满足该尺寸高压汽轮机转子的要求(图2)。如图3所示， 锻件心部与边缘

性能的均匀性优良[12]。

表3 COST FB2钢的化学成分和ESR试制成分(质量分数)Table 3

Specified and ESR composition of COST FB2 steel(mass fraction) %CSiMn

PSCrMoNiVAlAsCuSnSbNBCoNb标准最小值0．120．050．30--

9．001．400．100．180．005----0．0150．0081．200．045最大值

0．140．100．400．0100．0059．501．600．200．220．0100．0120．10

0．0040．0010．0300．0101．400．065电渣重熔平均值

0．140．080．310．0060．0019．281．510．150．190．0070．0020．03

10．004-0．0260．0091．320．053

图2 FB2钢锻件超声检验的部位和可探测的 最小缺陷的尺寸Fig.2

Positions of ultrasonic inspection and sizes of detectable minimum defect

s in the FB2 steel forging

图3 图2所示锻件的取样部位和力学性能测试结果Fig.3

Sampling positions in the forging shown in Fig.2 and resulting mechanical

properties

意大利 Societa della fucine Termi (SDF)公司采用传统工艺试制了第三支FB2钢

转子，其最终重量为28 t。三种转子的尺寸见图4[10]。

COST536项目研究了600～650 ℃时硼对材料性能的影响[15]。研究表明，B减

缓了M23(C,B)6的粗化，合适的B、N含量可避免BN转变为有害的Z相。优化

B、N含量，并降低COST B2中Mn的含量、增加Mo获得了COST FB4钢，其

成分见表4。

图4 三种转子的尺寸对比Fig.4 Sizes of three rotors

COST536项目中Saarschmiede公司试制了直径1 250 mm、重30 t的FB4钢

转子。热处理后锻件超声检测心部最小缺陷的尺寸为1.1 mm，达到了无硼

10%Cr转子钢的范围，明显低于含硼的FB2钢。

3.2 低压转子耐热钢

超超临界低压转子应满足[16]：(1)高的强度和韧性，良好的塑性；(2)低的韧脆转

变温度；(3)较高的断裂韧度； (4)较小的残余应力； (5)良好的淬透性；(6)整体性

能均匀。超纯净30Cr2Ni4MoV钢较高的持久强度、良好的抗氧化、抗腐蚀性能

及低周疲劳性能，已能满足目前超超临界机组低压转子的性能要求。

表4 三种COST钢的成分(质量分数)Table 4

Composition of three COST steels(mass fraction ) %CMnCrNiMoVNNbB

CoCostB20．200．759．000．10-0．20．0200．050．01-

CostFB40．180．309．250．151．50．30．0150．060．01-

CostFB20．130．359．250．151．50．20．0230．050．011．3

20世纪60年代，世界先进工业国研制了低碳2%～4%NiCrMoV钢

(ASTM A470 5、6、7级钢)[17]，其心部组织基本为贝氏体，具有高的强度、良

好的塑性与低温韧性，韧脆转变温度(FATT)在室温以下。20世纪80年代，我国

引进了美国西屋公司的300MW和600MW亚临界机组制造技术[18]，

30Cr2Ni4MoV钢作为低压转子材料，其成分与国外的3.5%NiCrMoV钢相同。

这种钢因具有高强度、良好的淬透性和低温韧性而用于当时汽轮机转子。其缺点是

易产生回火脆性，易形成粗大的奥氏体晶粒，伴有组织遗传现象。目前，国内外已

对30Cr2Ni4MoV钢的组织及性能进行了深入的研究 [19- 22]。

采用纯净化冶炼工艺严格控制有害元素生产的超纯净30Cr2Ni4MoV钢，改善了

350 ℃以上长期时效后的脆化倾向。与常规纯度30Cr2Ni4MoV钢相比，超纯净

30Cr2Ni4MoV钢高温持久强度、腐蚀疲劳抗力、低周疲劳性能均有所提高。表5

是不同国家超纯净的转子用3.5%NiCrMoV钢的化学成分[18]。

纯净的30Cr2Ni4MoV钢的冶炼工艺为电弧炉炼(EAF)- 钢包精炼(LF)- 电渣重溶

(ESR)- 真空浇注(VCD)等现代冶金技术[23- 24]，控制P、Si、Mn、As、Sn等有

害元素含量。低压转子材料的纯度得到了较大幅度的提高，力学性能也得到了明显

的改善，转子的韧脆转变温度为-20 ℃左右。

表5 国外转子用超纯净3.5%NiCrMoV钢的化学成分(质量分数)Table 5

Chemical composition of foreign ultra-

pure 3.5%NiCrMoV rotor steels (mass fraction) %CSiMnPSNiCrMoVAlAs

SnSbJ系数EPRI目标

0．250．020．020．0020．0013．501．650．450．100．0020．0020．00

20．001EPRI标准

≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤0．300．050．050．0050．0023．752．000．500．1

50．0050．0050．0050．00210ASTM470CL．7≤≤0．20～≤≤3．25～

1．25～0．25～0．05～----

0．280．100．600．0150．0184．002．000．600．15EPRI/VEW-

10．300．030．020．00240．0013．441．680．410．090．0050．00240

．00320．00053EPRI/VEW-

20．270．010．020．0040．0013．731．710．430．100．0060．0060．0

050．00153EPRI/TSB-

JSW0．250．020．050．0030．00153．701．700．400．12<0．0030．00

30．0030．0024KawagoeA0．250．030．020．0020．0013．641．750．4

30．13<0．0050．0030．0030．00123KawagoeB0．250．030．020．0020

．0013．651．750．420．13<0．0050．0030．0030．00123MHI/JCFC0．

250．010．030．0030．00123．431．780．380．110．0010．003<0．001

0．00081．2Hitachi/Kobe0．250．030．040．0020．00123．681．750．3

60．130．0010．0020．0020．00122．8FEL实验转子

0．350．020．050．0030．0023．581．690．480．120．0030．0050．00

40．00154．9

3.3 我国700 ℃汽轮机转子用耐热材料展望

700 ℃超超临界发电技术尚处于研发阶段，汽轮机高中压转子候选材料以镍基耐

热合金为主。700 ℃汽轮机转子的发展技术路线主要有两条，一是整体锻造高温

耐热合金转子，二是采用焊接工艺生产转子，即高温部分为镍基耐热合金，中温部

分为铁素体耐热钢。我国的科研院所、高校、冶金企业等都已开展700 ℃超超临

界转子高温材料的研究工作，在借鉴国外研究成果的基础上，发挥各自的技术优势，

将会在短时间内取得技术突破。以形成具有自主知识产权的700 ℃超超临界汽轮

机转子用镍基耐热合金技术为目标，实现我国700 ℃超超临界汽轮机转子的自主

制造。

4 结束语

随着冶炼、锻造、热处理技术的不断进步，600 ℃超超临界汽轮机转子用铁素体

耐热钢得到了快速发展，促进了600 ℃电站的建设。未来研发700 ℃超超临界电

站用汽轮机转子仍需进一步加强“产学研”合作及基础理论的研究，以实现我国

700 ℃超超临界汽轮机转子的自主制造。

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本文标签： 转子汽轮机材料性能