隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的發(fā)電技術(shù)和裝備正在高速發(fā)展。截至2015年底，我國(guó)電力裝機(jī)規(guī)模達(dá)15.3億千瓦。就我國(guó)電力結(jié)構(gòu)看，煤電裝機(jī)占比高達(dá)60%，而核電裝機(jī)占比僅為1.8%，電力結(jié)構(gòu)存在著較大的調(diào)整空間。

此外，我國(guó)已向國(guó)際社會(huì)承諾，2020年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到15%左右。為此，發(fā)展大容量、高參數(shù)、高效率的超超臨界（USC）發(fā)電技術(shù)，降低火電機(jī)組供電煤耗，控制火電裝機(jī)規(guī)模，擴(kuò)大核電等清潔能源的裝機(jī)規(guī)模，已成為我國(guó)電力裝備發(fā)展的方向。

隨著發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，機(jī)組關(guān)鍵部件的性能和質(zhì)量要求也越來越高。作為火電站和核電站建設(shè)的關(guān)鍵部件之一，不銹鋼無縫管的性能和質(zhì)量直接影響著火電發(fā)電效率和核電安全。

本文將對(duì)USC火電站和核電站用不銹鋼無縫管的現(xiàn)狀作簡(jiǎn)要闡述。

2 USC火電站用不銹鋼無縫管

2.1 市場(chǎng)需求

2016年，國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016-2020）》。根據(jù)《規(guī)劃》，預(yù)計(jì)2020年全國(guó)電力裝機(jī)容量達(dá)20億千瓦。其中，煤電裝機(jī)容量占比仍將達(dá)到55%左右。這意味著，“十三五”期間，煤電仍是我國(guó)電力供應(yīng)的主體。

此外，《規(guī)劃》布置了“全面掌握擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)；以高溫材料為重點(diǎn)，加快攻關(guān)700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)；研究開展中間參數(shù)等級(jí)示范，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率突破50%。推進(jìn)自主產(chǎn)權(quán)的60萬(wàn)千瓦級(jí)超超臨界CFB發(fā)電技術(shù)示范。”的重點(diǎn)任務(wù)。

目前，我國(guó)第一臺(tái)31MPa/600℃/620℃/620℃二次再熱機(jī)組已于2015年在華能安源電廠投運(yùn)。高參數(shù)超超臨界機(jī)組的建設(shè)和現(xiàn)役機(jī)組的參數(shù)改造勢(shì)必將帶來對(duì)高性能不銹鋼管的巨大需求。

2.2 性能要求

鍋爐是火電機(jī)組三大主機(jī)之一，其過熱器和再熱器是承受工作環(huán)境最為惡劣的部件，面臨高溫、高壓、蒸汽氧化以及煙氣腐蝕的考驗(yàn)，是材料要求最高的部件，需同時(shí)具備以下條件：

1） 常溫力學(xué)性能：高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，良好的沖擊韌性；

2） 高溫性能：優(yōu)異的高溫持久強(qiáng)度，抗蠕變性能，良好的高溫組織穩(wěn)定性；

3） 化學(xué)性能：良好的高溫抗氧化性能，抗煙氣腐蝕性能；

4） 工藝性能：優(yōu)良的熱加工性能、焊接性能及熱彎曲性能；

5） 物理性能：低的熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性；

6） 良好的經(jīng)濟(jì)性：選擇高性價(jià)比的材料。

奧氏體不銹鋼的Cr、Ni含量較高，具有較高的蠕變強(qiáng)度、良好的組織穩(wěn)定性、優(yōu)良的抗煙氣腐蝕和蒸汽氧化性能以及良好的焊接性，在高溫、高壓、對(duì)煙氣腐蝕和蒸汽氧化有較高要求的鍋爐受熱部件上應(yīng)用十分廣泛。過熱器和再熱器用管一般也采用奧氏體不銹鋼制造。

2.3 USC火電站用不銹鋼無縫管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

歐、美、日等全球不銹鋼老牌生產(chǎn)國(guó)家和地區(qū)，早在20世紀(jì)90年代，已建立了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。其中，美國(guó)在這一領(lǐng)域一直保持著領(lǐng)先地位。電站鍋爐用奧氏體無縫管的常用標(biāo)準(zhǔn)見表1。

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)水平與美標(biāo)存在著較大差距，尤其在鋼種數(shù)量上差距明顯。ASME SA213/SA213M-2015含鋼74種，奧氏體鋼56種，而GB 13296-2013僅含鋼29種，奧氏體鋼26種。此外，美標(biāo)修訂十分頻繁，而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)已多年未更新修訂。

目前，我國(guó)超超臨界發(fā)電技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，材料問題已經(jīng)成為其發(fā)展的瓶頸問題。為適應(yīng)我國(guó)超超臨界技術(shù)的發(fā)展，新鋼種的研發(fā)已迫在眉睫，加速其評(píng)審納標(biāo)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂，也是十分必要的工作。

2.4 USC機(jī)組過熱器及再熱器管道材料

20世紀(jì)初，18Cr-8Ni和（15%-20%）Cr-（20%-40%）Ni系不銹鋼的開發(fā)，為后續(xù)一系列鉻鎳系耐熱鋼的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著超臨界機(jī)組、超超臨界機(jī)組的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于開發(fā)適應(yīng)火力發(fā)電機(jī)組需求的新型奧氏體不銹鋼管材料，如TP304H、TP316H、TP321H、TP347H/HFG、Super304H、HR3C等。

目前，我國(guó)已經(jīng)運(yùn)行或正在建設(shè)的超超臨界機(jī)組的蒸汽溫度已達(dá)到600℃，從性能和成本考慮，現(xiàn)役超超臨界機(jī)組過熱器和再熱器管道主要采用TP347H，Super304H 和HR3C 三種，特別是Super304H和HR3C應(yīng)用最為廣泛。

然而，服役過程中，Super304H和HR3C的不足之處也逐漸暴露出來。Super304H雖具有較高的高溫持久強(qiáng)度，但由于Cr含量?jī)H為18wt%，其抗高溫氧化/煙氣腐蝕能力不足。服役過程中，Super304H將產(chǎn)生大量氧化鐵皮，給機(jī)組維護(hù)工作帶來極大困難。HR3C的抗高溫氧化/煙氣腐蝕性能優(yōu)異，但高溫持久強(qiáng)度偏低，且服役過程中沖擊韌性惡化嚴(yán)重。

Super304H和HR3C均不能滿足我國(guó)超超臨界機(jī)組向700℃或中間參數(shù)等級(jí)發(fā)展的需求。

Sanicro25是由瑞典SANDVIK公司開發(fā)的一種高溫性能極佳的新型奧氏體耐熱鋼，其650℃/105h持久強(qiáng)度可達(dá)165MPa，遠(yuǎn)高于其他鋼種。但是，Sanicro25合金化程度也明顯高于其他鋼種，Co和W的添加也將大大增加煉鋼和制管難度，預(yù)計(jì)其成品價(jià)格也將遠(yuǎn)高于現(xiàn)役材料。目前，Sanicro25尚未在我國(guó)超超臨界機(jī)組中獲得應(yīng)用。

SP2215是一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、經(jīng)濟(jì)型奧氏體耐熱鋼。SP2215是在深入研究TP347H/HFG、Super304H、HR3C等材料合金化本質(zhì)及強(qiáng)化機(jī)理后，采用多相復(fù)合強(qiáng)化機(jī)制（MX+Cu-rich+NbCrN）而開發(fā)出來的，兼具了Super304H的高持久強(qiáng)度和HR3C的抗高溫氧化能力。

目前，SP2215已經(jīng)完成煉鋼和制管工作，性能測(cè)試及評(píng)審鑒定工作正在有序推進(jìn)。650℃/105h高溫持久試驗(yàn)已進(jìn)行約10000h，依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)外推的持久強(qiáng)度不低于130MPa，高于Super304H和HR3C；650℃抗蒸汽氧化試驗(yàn)已超過2000h，其抗蒸汽氧化性能優(yōu)于Super304H，預(yù)計(jì)與HR3C相當(dāng)。此外，SP2215的Cr+Ni含量?jī)H為37%，采用的煉鋼及制管工藝與Super304H和HR3C無異，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)十分明顯。SP2215有望成為HR3C和Super304H的替代材料，以及中間參數(shù)等級(jí)超超臨界示范機(jī)組過熱器和再熱器的候選材料。

3 核電用不銹鋼無縫管

目前，我國(guó)核電工業(yè)正處在高速發(fā)展期，完成了三代AP1000 技術(shù)引進(jìn)消化吸收，并形成了自主品牌的CAP1400和華龍一號(hào)三代壓水堆技術(shù)。

“十三五”期間，全國(guó)核電投產(chǎn)約3000萬(wàn)千瓦、開工3000萬(wàn)千瓦以上，2020年裝機(jī)達(dá)到5800萬(wàn)千瓦。截至 2016 年1月，我國(guó)大陸運(yùn)行的核電機(jī)組30臺(tái)，總裝機(jī)容量2831萬(wàn)千瓦，在建的核電機(jī)組24臺(tái)，總裝機(jī)容量2672萬(wàn)千瓦。其中，在建的核電機(jī)組數(shù)居********，在建以及運(yùn)行機(jī)組總數(shù)位居世界第三。隨著核電工業(yè)的高速發(fā)展，核電站用不銹鋼管的需求也將顯著增加。

目前， 我國(guó)在建和籌建的核電站均以技術(shù)性和安全性十分成熟的壓水堆核電站為主。在壓水堆核電站建設(shè)和機(jī)械設(shè)備制造中使用的無縫鋼管可分為四大類， 即碳素鋼/碳錳鋼/低合金鋼類、鉻鉬鋼類、不銹鋼類和鎳基合金類。其中，不銹鋼無縫管在核電站（冷卻劑）主管道、冷卻劑相關(guān)一回路管道、蒸汽發(fā)生器的傳熱管以及蒸汽疏水管線等關(guān)鍵部件均有應(yīng)用。

然而，我國(guó)的核電建設(shè)起步較晚，核電站設(shè)計(jì)及設(shè)備制造長(zhǎng)期依賴國(guó)外技術(shù)，核電管材料采用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外牌號(hào)鋼種，給國(guó)內(nèi)采購(gòu)和生產(chǎn)帶來很多問題。直至2009年，GB 24512.1—2009《核電站用無縫鋼管第1部分：碳素鋼無縫鋼管》和GB 24512.2—2009《核電站用無縫鋼管第2部分：合金鋼無縫鋼管》兩項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布；2014年，GB 24512.3—2014《核電站用無縫鋼管 第3部分:不銹鋼無縫鋼管》發(fā)布。這3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施將有力推動(dòng)我國(guó)核電用無縫鋼管性能和質(zhì)量的提高，并為我國(guó)核電用無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

我國(guó)火力發(fā)電技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，發(fā)電機(jī)組正在向大容量、高參數(shù)、高效環(huán)保的方向發(fā)展。適應(yīng)USC技術(shù)發(fā)展的高性能奧氏體不銹鋼無縫管的研發(fā)已迫在眉睫。

具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、經(jīng)濟(jì)型奧氏體耐熱鋼SP2215有望成為HR3C和Super304H的替代材料，以及中間參數(shù)等級(jí)超超臨界示范機(jī)組過熱器和再熱器管道的候選材料。

我國(guó)核電工業(yè)正處在高速發(fā)展期，核電站用不銹鋼管需求量大。核電站用不銹鋼無縫管標(biāo)準(zhǔn)也已頒布實(shí)施，為我國(guó)核電用不銹鋼無縫管性能和質(zhì)量的提高以及核電用無縫管標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。