超超临界机组用钢国产化任重道远
2005-06-03 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
新中国成立以来，由于冶金和机械行业材料工作者的共同努力，发电设备用钢管从无到有，从仿制国外钢号到独立研制新钢种，取得长足进步。近年来，在引进国外发电设备制造技术的同时，又带进来一些外国钢号，初步形成了比较完整的用钢系列，并提供了大量的发电设备专用钢管，使得电站设备的发展取得巨大的成就。但是，随着电力技术的发展，发电机组也向大容量、高参数、环保型的方向发展，对钢管提出了更高的要求，不仅现有的钢种需要改进和完善，而且需要研制性能更高、质量更好的钢管，为我国发展超超临界发电机组做好材料准备工作，无疑，这是更新、更艰巨的课题。
现状
发电设备用钢管主要指火电机组中使用的钢管。发电设备用钢管长期在高温、高压并有腐蚀介质的工况下运行，对性能有其特殊的要求。一是较高的室温综合力学性能：强度、塑性、韧性；二是较高的高温持久强度、蠕变强度：锅炉强度计算所选用的材料许用应力是根据持久强度值或蠕变强度值除以安全系数计算出来的，需要有10万小时持久强度或蠕变强度指标；三是较高的抗氧化、抗腐蚀性能：锅炉炉膛内的烟气和钢管内流动的水或蒸汽对管壁都有氧化和腐蚀作用；四是较高的组织稳定性：金属长期在高温下工作，固熔体中的强化元素会向碳化物转化，而后碳化物又会集聚、长大，使材料高温强度下降，所以希望发电设备用耐热钢的组织越稳定越好；五是良好的（冷、热）加工性能和焊接性能。
目前，我国发电设备用钢管的钢种除碳钢和少量Mo钢外，主要分为两个系列：一个是铁素体为基的Cr－Mo钢系列耐热钢，从0.5Cr－0.5Mo到12Cr－1Mo，有的进行了改进，分别加了W、Nb、V、Ti、B等元素，使强度有所提高；另一个系列是18Cr－8Ni奥氏体耐热钢，目前国内使用较多的是美国钢号TP304H和TP347H。
当前，我国发电设备用钢管的平均定额约90吨/万千瓦，合金比60%～70%，其中Φ31～146mm×3～20mm规格的为60吨/万千瓦，Φ159～245mm×10～30mm规格的为4吨/万千瓦，Φ273～711mm×20～130mm规格的为18吨/万千瓦，Φ720～1066mm×20～100mm规格的为3吨/万千瓦。此外，还有一些特殊管，如低压加热器用管Φ16mm×1mm×24000mm（不锈钢）为1吨/万千瓦，高压加热器用管Φ16mm×2.1/2.5mm×24000mm（碳钢）为2吨/万千瓦，冷凝器用管Φ25mm×0.5/0.7mm×10000mm（不锈钢或钛材）为2吨/万千瓦。2004年，全国发电设备制造总容量7138万千瓦，其中火电约6000万千瓦，消耗钢管约54万吨。
目前，我国发电设备用钢管存在以下问题：
第一，数量不够。从总量上说，目前国内发电设备用钢管供应量不到50%，进口量占一半以上。当然，这不能完全说明国内没有供应能力。如有些品种国内能生产，如T91、内螺纹管等，但在数量上供应不足。
第二，品种不全。有些钢号国内标准没有，如WB36、T/P23、T/P92、T/P122、Super304H等。
第三，规格不齐。Φ16mm×1mm低压加热器用不锈钢管，Φ16mm×2mm高压加热器用碳钢管，变成U型供货，全部进口；Φ25mm×0.5/0.7mm×10000mm冷凝器用不锈钢管或钛管，全部进口；Φ159mm～1066mm以上大口径管很多规格国内不能生产，大部分需要进口。
第四，质量不稳。国产钢管出现的质量问题主要为表面质量不好、力学性能不合格、压扁不合格等。
第五，开发能力不强。发电设备用耐热钢的研发与一般结构钢比较，具有周期长、投资大两个突出的特点。一个新钢种的开发一般需要5～7年甚至更长的时间，人力和物力的消耗相当大。目前，我国发电设备用新钢种的开发工作几乎处于停滞状态。当然，试验装备条件差、经验少等也是开发能力不强的原因之一。
第六，规模不大。国内钢管企业的规模普遍不大，多数钢管厂只有1～2套钢管生产机组，少数企业有几条钢管生产线，但产品的规格范围都很接近。用户不得不把一个大货单分成若干小货单到相关厂家订货，这样用户订货工作量增加、成本提高，钢管厂还会受机组能力的限制而出现“小马拉大车”或“大马拉小车”的情况，很难保证产品质量，从而降低机组的寿命。国外很多大型的专业化钢管生产企业，如日本住友金属、意大利达尔明等，都有多条钢管生产线，生产的钢管规格范围很宽，锅炉厂一台锅炉（或几台锅炉）用的所有品种、规格的钢管从一两家钢管企业就可采购到。
趋势
新材料的开发始终是超超临界技术发展的关键。上世纪50年代末，国外已具备生产超超临界机组的能力，但由于材料技术不成熟，影响了超超临界机组的可靠性，不得不降低温度参数。此后，发达国家加强超超临界用材料的研究，着重研究适用于600℃～650℃蒸汽参数的9%～12%Cr钢和奥氏体不锈钢，物理性能和工艺性能都有很大改善。所以，上世纪90年代起国外又开始制造超超临界发电机组。
国外在这方面开发的新材料分为铁素体钢、奥氏体钢两部分。这种新型耐热钢在合金化方面有以下特点：
（1）利用多元复合强化的原理提高材料的持久强度、蠕变强度和组织稳定性，如W、Mo复合添加，形成固溶强化，以W为主，因为W在固溶体中比Mo稳定；Nb、V（Ti）复合添加，形成弥散的碳化物析出强化。
（2）添加（控制）N，形成复杂的Nb、V（Ti）的CN化物，增加析出强化效果。
（3）重视Cu对耐热钢的作用，添加Cu能改善高Cr钢的韧性，富Cu相析出能提高奥氏体钢的蠕变强度。
（4）降低C含量，改善材料的加工性能和焊接性能。
此外，在材料研制开发过程中，国外对新钢种的焊结和制造工艺性能都给予充分重视。无论是在配套的焊接材料及焊接规范上，还是在对不同材料和厚度的组合焊接上，都做了大量工作。
前景
从我国的能源结构看，煤炭将长期是主要能源，我国仍将坚持以煤为基础、以电力为核心的能源发展战略。我国电力发展的基本方针是大力开发水电，优化发展煤电，积极推进核电建设，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电。蒸汽参数更高的超超临界机组是今后火电的发展方向。
预计“十一五”期间国家将安排开工大中型项目2.15亿千瓦，其中火电（包括煤电和天然气发电）约1.56亿千瓦，考虑一定的储备，“十一五”期间火力发电设备需求将达到1.6亿千瓦，年平均3200万千瓦。在煤电设备中，单机容量60万千瓦及以上机组将达到约1亿千瓦，占煤电设备70%以上。到2010年，预计全国发电装机容量是6.9亿千瓦左右，其中煤电将达到4.68亿千瓦，超临界和超超临界机组占煤电装机容量的比重将达到15%（约7000多万千瓦）。
由此预计，“十一五”期间，发电设备制造每年用钢管数量约30万吨，合金比为60%～70%，具体规格、数量如下：Φ31～146mm×3～20mm规格的约20万吨，其中内螺纹管2万吨、T91钢管2万吨、不锈钢管1.5万吨；Φ159～245mm×10～30mm规格的约1.5万吨；Φ273～711mm×30～130mm规格的约为6万吨；Φ720～1066mm×30～100mm规格的约1万吨。
策略
目前，我国发电设备用耐热钢的研发能力和水平落后于发达国家。为不影响我国超超临界机组的发展，我国应优先采用国外新材料开发的成果，待条件成熟之后逐步国产化，从而带动国内材料技术的发展。
新材料国产化的步骤可采用我国第一超超临界机组引进的做法。近年来，中国机械工业联合会发电设备中心，组织国内有关企业、科研院所、大专院校等单位，对日本住友金属开发的几个新材料进行了评定，并已推荐使用到我国的第一台超超临界机组。具体做法如下：第一步，对拟引进的新材料进行评定试验，即由外商提供钢管、焊接材料和焊接工艺、试验经费，共同协商试验内容，制定试验计划，在试验完成后写出试验报告；第二步，组织机械、电力、冶金等方面专家，对试验报告和外方提供的资料进行评定，并给出评定意见；第三步，中国机械工业联合会根据评定意见，推荐拟在我国使用的新材料；第四步，被采用的新材料可先进口，发电设备制造企业在使用中熟悉新材料的制造工艺和性能，情况良好的材料可向国内冶金企业推荐，使其逐步实现国产化。目前，T23、P23、Su－per304H已通过评定并实际采用，其中T23已在宝钢试制，评定试验将在年内结束；P23和Super304H国内已有企业拟进行试制。
在制管工艺上，首先要不断增加冷拔管比例。300MW、600MW亚临界机组锅炉受热面钢管外径一般都在50mm以上，可以采用热轧管；而超超临界机组出现钢管外径减小、壁厚增加的现象，如锅炉水冷壁需采用Φ32～38mm×7～10mm规格的钢管，这样的小口径管需要采用冷拔（冷轧）工艺生产。第二要选择好增加钢管抗腐蚀能力的办法。当超超临界机组蒸汽温度达到600℃时，过热器管壁金属温度将达到650℃，钢管内壁的蒸汽氧化就会加重。为增加金属的抗氧化能力，国外通常采取的办法有：用热处理的办法获得细晶粒的TP347HFG钢管，不仅可以提高抗腐蚀和抗氧化能力，而且可以提升材料的高温持久强度，这是日本住友金属的专利；采用钢管内部喷丸的工艺，提高奥氏体耐热钢管内壁抗蒸汽氧化的能力；采用高Cr合金，如住友金属开发的HR3C（25Cr－20Ni－Nb－N）。针对我国的情况，在上述三种方法中我国应优先选择第二种方案，比较经济。
建议
1．建设一套大型制管机组。
近年来，电力建设增长较快，发电设备制造任务猛增，2004～2005年每年都在5000万千瓦以上，2006～2010年每年约4000万千瓦，钢管需求量很大，采购很困难，其“瓶颈”主要在大口径管。如前所述，“十一五”期间每年发电设备制造需要外径在273mm以上的大口径钢管约7万吨，电厂安装大约需要2.5万吨，总共9.5万吨，其中Φ273～711mm×30～130mm规格的约8万吨、Φ720～1066mm×30～100mm规格的约1.5万吨。
这些钢管中，我国只有武汉重型铸锻厂（471厂）能生产一部分锻造管，今年产量预计可达1.5万吨（但不一定全部供给发电设备），其余全部依靠进口。世界上能生产上述大口径厚壁管的设备也只有有限的几套，有的已不接受订货；能接受订货的，交货期也要到一年以后，而且价格非常高。目前大口径管的主要供货厂家是德国V&M公司，Φ273mm～711mm在大皮尔格轧机上生产，年产量14万吨，Φ720mm～1066mm用锻造法制造，年产量3.1万吨，向全世界出口。
我国钢管生产能力在Φ273～711mm×30～130mm规格范围是空白，虽然有的厂家正在建设273机组，甚至340机组，但这些连轧机组生产壁厚30mm以上的钢管是有困难的。因此，笔者建议国内建设一套大型皮尔格轧管机组，填补国内空白。如果该项目建成以后，Φ273mm以下的钢管可用连轧或其他方法生产，Φ273mm～711mm的钢管可在大型皮尔格轧机上生产，每年需要的1.5万吨Φ720mm～1066mm钢管可在471厂用锻造法生产，发电设备用钢管在规格上就可以全部立足国内，超超临界发电机组就可实现真正意义上的国产化。此项目既有社会效益，又有经济效益，希望有关部门支持这一项目的立项。
我国除电站用Φ273mm～711mm钢管每年需求8万多吨之外，大型建筑、化工等行业也都需要大口径管，一年14万～15万吨的市场需求应该没有问题，当然还可以出口。
2．钢管企业应加强自主开发能力。
我国钢管生产企业除宝钢等少数企业外，试验室条件都比较差，普遍没有高温实验设备，更谈不上模拟电厂运行工况的试验台，无力进行耐热钢的新产品开发。有的钢管企业制管设备是国外进口的世界一流钢管生产线，而试验室的装备、管理还是乡镇企业的水平。因此，希望钢管企业重视试验室（研究所）试验装备的配备和人员的培训，使企业真正具备自主开发的能力。（中国冶金报）
现状
发电设备用钢管主要指火电机组中使用的钢管。发电设备用钢管长期在高温、高压并有腐蚀介质的工况下运行，对性能有其特殊的要求。一是较高的室温综合力学性能：强度、塑性、韧性；二是较高的高温持久强度、蠕变强度：锅炉强度计算所选用的材料许用应力是根据持久强度值或蠕变强度值除以安全系数计算出来的，需要有10万小时持久强度或蠕变强度指标；三是较高的抗氧化、抗腐蚀性能：锅炉炉膛内的烟气和钢管内流动的水或蒸汽对管壁都有氧化和腐蚀作用；四是较高的组织稳定性：金属长期在高温下工作，固熔体中的强化元素会向碳化物转化，而后碳化物又会集聚、长大，使材料高温强度下降，所以希望发电设备用耐热钢的组织越稳定越好；五是良好的（冷、热）加工性能和焊接性能。
目前，我国发电设备用钢管的钢种除碳钢和少量Mo钢外，主要分为两个系列：一个是铁素体为基的Cr－Mo钢系列耐热钢，从0.5Cr－0.5Mo到12Cr－1Mo，有的进行了改进，分别加了W、Nb、V、Ti、B等元素，使强度有所提高；另一个系列是18Cr－8Ni奥氏体耐热钢，目前国内使用较多的是美国钢号TP304H和TP347H。
当前，我国发电设备用钢管的平均定额约90吨/万千瓦，合金比60%～70%，其中Φ31～146mm×3～20mm规格的为60吨/万千瓦，Φ159～245mm×10～30mm规格的为4吨/万千瓦，Φ273～711mm×20～130mm规格的为18吨/万千瓦，Φ720～1066mm×20～100mm规格的为3吨/万千瓦。此外，还有一些特殊管，如低压加热器用管Φ16mm×1mm×24000mm（不锈钢）为1吨/万千瓦，高压加热器用管Φ16mm×2.1/2.5mm×24000mm（碳钢）为2吨/万千瓦，冷凝器用管Φ25mm×0.5/0.7mm×10000mm（不锈钢或钛材）为2吨/万千瓦。2004年，全国发电设备制造总容量7138万千瓦，其中火电约6000万千瓦，消耗钢管约54万吨。
目前，我国发电设备用钢管存在以下问题：
第一，数量不够。从总量上说，目前国内发电设备用钢管供应量不到50%，进口量占一半以上。当然，这不能完全说明国内没有供应能力。如有些品种国内能生产，如T91、内螺纹管等，但在数量上供应不足。
第二，品种不全。有些钢号国内标准没有，如WB36、T/P23、T/P92、T/P122、Super304H等。
第三，规格不齐。Φ16mm×1mm低压加热器用不锈钢管，Φ16mm×2mm高压加热器用碳钢管，变成U型供货，全部进口；Φ25mm×0.5/0.7mm×10000mm冷凝器用不锈钢管或钛管，全部进口；Φ159mm～1066mm以上大口径管很多规格国内不能生产，大部分需要进口。
第四，质量不稳。国产钢管出现的质量问题主要为表面质量不好、力学性能不合格、压扁不合格等。
第五，开发能力不强。发电设备用耐热钢的研发与一般结构钢比较，具有周期长、投资大两个突出的特点。一个新钢种的开发一般需要5～7年甚至更长的时间，人力和物力的消耗相当大。目前，我国发电设备用新钢种的开发工作几乎处于停滞状态。当然，试验装备条件差、经验少等也是开发能力不强的原因之一。
第六，规模不大。国内钢管企业的规模普遍不大，多数钢管厂只有1～2套钢管生产机组，少数企业有几条钢管生产线，但产品的规格范围都很接近。用户不得不把一个大货单分成若干小货单到相关厂家订货，这样用户订货工作量增加、成本提高，钢管厂还会受机组能力的限制而出现“小马拉大车”或“大马拉小车”的情况，很难保证产品质量，从而降低机组的寿命。国外很多大型的专业化钢管生产企业，如日本住友金属、意大利达尔明等，都有多条钢管生产线，生产的钢管规格范围很宽，锅炉厂一台锅炉（或几台锅炉）用的所有品种、规格的钢管从一两家钢管企业就可采购到。
趋势
新材料的开发始终是超超临界技术发展的关键。上世纪50年代末，国外已具备生产超超临界机组的能力，但由于材料技术不成熟，影响了超超临界机组的可靠性，不得不降低温度参数。此后，发达国家加强超超临界用材料的研究，着重研究适用于600℃～650℃蒸汽参数的9%～12%Cr钢和奥氏体不锈钢，物理性能和工艺性能都有很大改善。所以，上世纪90年代起国外又开始制造超超临界发电机组。
国外在这方面开发的新材料分为铁素体钢、奥氏体钢两部分。这种新型耐热钢在合金化方面有以下特点：
（1）利用多元复合强化的原理提高材料的持久强度、蠕变强度和组织稳定性，如W、Mo复合添加，形成固溶强化，以W为主，因为W在固溶体中比Mo稳定；Nb、V（Ti）复合添加，形成弥散的碳化物析出强化。
（2）添加（控制）N，形成复杂的Nb、V（Ti）的CN化物，增加析出强化效果。
（3）重视Cu对耐热钢的作用，添加Cu能改善高Cr钢的韧性，富Cu相析出能提高奥氏体钢的蠕变强度。
（4）降低C含量，改善材料的加工性能和焊接性能。
此外，在材料研制开发过程中，国外对新钢种的焊结和制造工艺性能都给予充分重视。无论是在配套的焊接材料及焊接规范上，还是在对不同材料和厚度的组合焊接上，都做了大量工作。
前景
从我国的能源结构看，煤炭将长期是主要能源，我国仍将坚持以煤为基础、以电力为核心的能源发展战略。我国电力发展的基本方针是大力开发水电，优化发展煤电，积极推进核电建设，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电。蒸汽参数更高的超超临界机组是今后火电的发展方向。
预计“十一五”期间国家将安排开工大中型项目2.15亿千瓦，其中火电（包括煤电和天然气发电）约1.56亿千瓦，考虑一定的储备，“十一五”期间火力发电设备需求将达到1.6亿千瓦，年平均3200万千瓦。在煤电设备中，单机容量60万千瓦及以上机组将达到约1亿千瓦，占煤电设备70%以上。到2010年，预计全国发电装机容量是6.9亿千瓦左右，其中煤电将达到4.68亿千瓦，超临界和超超临界机组占煤电装机容量的比重将达到15%（约7000多万千瓦）。
由此预计，“十一五”期间，发电设备制造每年用钢管数量约30万吨，合金比为60%～70%，具体规格、数量如下：Φ31～146mm×3～20mm规格的约20万吨，其中内螺纹管2万吨、T91钢管2万吨、不锈钢管1.5万吨；Φ159～245mm×10～30mm规格的约1.5万吨；Φ273～711mm×30～130mm规格的约为6万吨；Φ720～1066mm×30～100mm规格的约1万吨。
策略
目前，我国发电设备用耐热钢的研发能力和水平落后于发达国家。为不影响我国超超临界机组的发展，我国应优先采用国外新材料开发的成果，待条件成熟之后逐步国产化，从而带动国内材料技术的发展。
新材料国产化的步骤可采用我国第一超超临界机组引进的做法。近年来，中国机械工业联合会发电设备中心，组织国内有关企业、科研院所、大专院校等单位，对日本住友金属开发的几个新材料进行了评定，并已推荐使用到我国的第一台超超临界机组。具体做法如下：第一步，对拟引进的新材料进行评定试验，即由外商提供钢管、焊接材料和焊接工艺、试验经费，共同协商试验内容，制定试验计划，在试验完成后写出试验报告；第二步，组织机械、电力、冶金等方面专家，对试验报告和外方提供的资料进行评定，并给出评定意见；第三步，中国机械工业联合会根据评定意见，推荐拟在我国使用的新材料；第四步，被采用的新材料可先进口，发电设备制造企业在使用中熟悉新材料的制造工艺和性能，情况良好的材料可向国内冶金企业推荐，使其逐步实现国产化。目前，T23、P23、Su－per304H已通过评定并实际采用，其中T23已在宝钢试制，评定试验将在年内结束；P23和Super304H国内已有企业拟进行试制。
在制管工艺上，首先要不断增加冷拔管比例。300MW、600MW亚临界机组锅炉受热面钢管外径一般都在50mm以上，可以采用热轧管；而超超临界机组出现钢管外径减小、壁厚增加的现象，如锅炉水冷壁需采用Φ32～38mm×7～10mm规格的钢管，这样的小口径管需要采用冷拔（冷轧）工艺生产。第二要选择好增加钢管抗腐蚀能力的办法。当超超临界机组蒸汽温度达到600℃时，过热器管壁金属温度将达到650℃，钢管内壁的蒸汽氧化就会加重。为增加金属的抗氧化能力，国外通常采取的办法有：用热处理的办法获得细晶粒的TP347HFG钢管，不仅可以提高抗腐蚀和抗氧化能力，而且可以提升材料的高温持久强度，这是日本住友金属的专利；采用钢管内部喷丸的工艺，提高奥氏体耐热钢管内壁抗蒸汽氧化的能力；采用高Cr合金，如住友金属开发的HR3C（25Cr－20Ni－Nb－N）。针对我国的情况，在上述三种方法中我国应优先选择第二种方案，比较经济。
建议
1．建设一套大型制管机组。
近年来，电力建设增长较快，发电设备制造任务猛增，2004～2005年每年都在5000万千瓦以上，2006～2010年每年约4000万千瓦，钢管需求量很大，采购很困难，其“瓶颈”主要在大口径管。如前所述，“十一五”期间每年发电设备制造需要外径在273mm以上的大口径钢管约7万吨，电厂安装大约需要2.5万吨，总共9.5万吨，其中Φ273～711mm×30～130mm规格的约8万吨、Φ720～1066mm×30～100mm规格的约1.5万吨。
这些钢管中，我国只有武汉重型铸锻厂（471厂）能生产一部分锻造管，今年产量预计可达1.5万吨（但不一定全部供给发电设备），其余全部依靠进口。世界上能生产上述大口径厚壁管的设备也只有有限的几套，有的已不接受订货；能接受订货的，交货期也要到一年以后，而且价格非常高。目前大口径管的主要供货厂家是德国V&M公司，Φ273mm～711mm在大皮尔格轧机上生产，年产量14万吨，Φ720mm～1066mm用锻造法制造，年产量3.1万吨，向全世界出口。
我国钢管生产能力在Φ273～711mm×30～130mm规格范围是空白，虽然有的厂家正在建设273机组，甚至340机组，但这些连轧机组生产壁厚30mm以上的钢管是有困难的。因此，笔者建议国内建设一套大型皮尔格轧管机组，填补国内空白。如果该项目建成以后，Φ273mm以下的钢管可用连轧或其他方法生产，Φ273mm～711mm的钢管可在大型皮尔格轧机上生产，每年需要的1.5万吨Φ720mm～1066mm钢管可在471厂用锻造法生产，发电设备用钢管在规格上就可以全部立足国内，超超临界发电机组就可实现真正意义上的国产化。此项目既有社会效益，又有经济效益，希望有关部门支持这一项目的立项。
我国除电站用Φ273mm～711mm钢管每年需求8万多吨之外，大型建筑、化工等行业也都需要大口径管，一年14万～15万吨的市场需求应该没有问题，当然还可以出口。
2．钢管企业应加强自主开发能力。
我国钢管生产企业除宝钢等少数企业外，试验室条件都比较差，普遍没有高温实验设备，更谈不上模拟电厂运行工况的试验台，无力进行耐热钢的新产品开发。有的钢管企业制管设备是国外进口的世界一流钢管生产线，而试验室的装备、管理还是乡镇企业的水平。因此，希望钢管企业重视试验室（研究所）试验装备的配备和人员的培训，使企业真正具备自主开发的能力。（中国冶金报）
