超(超)臨界燃煤發(fā)電技術(shù)可有效提高火電機(jī)組效率、降低發(fā)電煤耗和減少污染物排放，有助于實(shí)現(xiàn)煤炭資源清潔高效利用、深入推進(jìn)節(jié)能減排的要求。超(超)臨界燃煤發(fā)電技術(shù)經(jīng)歷了常規(guī)超臨界參數(shù)、超超臨界參數(shù)、超(超)臨界技術(shù)在范圍內(nèi)快速發(fā)展的三個(gè)階段，在材料工業(yè)發(fā)展的支持下，朝著700℃等級(jí)超超臨界技術(shù)發(fā)展。
 

　　600℃超超臨界機(jī)組及閥門(mén)
 

　　材料要求
 

　　在燃煤發(fā)電機(jī)組的發(fā)展過(guò)程中，高溫材料一直是機(jī)組類(lèi)型改進(jìn)提升的基礎(chǔ)。對(duì)于超超臨界機(jī)組，其材料要具備的性能概括為以下幾個(gè)方面：①在高溫蒸汽工況中，有較高的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能，具有較好的高溫持久強(qiáng)度；②金屬材料在高溫下必須具有穩(wěn)定的組織，具有較好的冷熱加工工藝性能和良好的焊接性能；③在經(jīng)濟(jì)方面，成本可以保證實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
 

　　冶煉與鍛造
 

　　對(duì)于細(xì)晶粒高強(qiáng)鋼，必須采用真空冶煉或者電爐加爐外精煉等方法，保證材料化學(xué)成分和純凈化控制，才能確保鍛件材料基本滿足各項(xiàng)要求。鍛造加工后材料組織均勻、致密，抗高溫蠕變，疲勞能力高，綜合性能好，適合制造高參數(shù)工況下的部件。
 

　　設(shè)計(jì)與機(jī)械加工
 

　　由于閥體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作參數(shù)高，國(guó)外通常先采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段初步確定閥體結(jié)構(gòu)，而后利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和有限元分析校核，根據(jù)分析結(jié)果修正設(shè)計(jì)參數(shù)，國(guó)外采用加工中心、數(shù)控機(jī)床和專(zhuān)用機(jī)床對(duì)超超臨界火力機(jī)組閥門(mén)進(jìn)行機(jī)械加工，保障了閥門(mén)精度和動(dòng)作可靠性。
 

　　品質(zhì)檢驗(yàn)
 

　　對(duì)閥門(mén)材料化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、非金屬夾雜物、晶粒度進(jìn)行射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)或滲透檢測(cè)。
 

　　700℃超超臨界機(jī)組及閥門(mén)
 

　　700℃超(超)臨界發(fā)電技術(shù)是指主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度達(dá)到或超過(guò)700℃的先進(jìn)超(超)臨界燃煤發(fā)電技術(shù)。
 

　　700℃超超臨界閥門(mén)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)點(diǎn)：
 

　　能夠在蒸汽溫度 700℃條件下長(zhǎng)期安全運(yùn)行的高溫金屬材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究;
 

　　閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，應(yīng)力計(jì)算分析、熱應(yīng)力的分析研究，強(qiáng)度、高溫?zé)釕?yīng)力的分析，高溫蠕變分析；
 

　　關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的研究，如彈簧、閥芯；
 

　　閥門(mén)試驗(yàn)、調(diào)試技術(shù)的研究；
 

　　加工、焊接、熱處理等制造工藝的研究，大口徑閥體鑄、鍛焊結(jié)構(gòu)制造工藝技術(shù)研究；
 

　　主閥、輔助閥密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究；
 

　　閥門(mén)快速啟閉和無(wú)沖擊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，可靠性應(yīng)力的分析研究；
 

　　閥門(mén)流通能力計(jì)算和結(jié)構(gòu)研究，流體阻斷性能研究；
 

　　閥門(mén)大流量高壓差調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，強(qiáng)度和可靠性分析計(jì)算；
 

　　高壓差工況下閥門(mén)調(diào)節(jié)特性的研究；
 

　　閥門(mén)泄漏等級(jí)的研究；
 

　　閥門(mén)高壓差噴水減溫結(jié)構(gòu)的計(jì)算研究；
 

　　驅(qū)動(dòng)裝置及控制系統(tǒng)研究。
 

　　超超臨界閥門(mén)新型材料
 

　　超超臨界閥門(mén)用于超超臨界火電機(jī)組，其工作環(huán)境惡劣，對(duì)閥門(mén)性能和可靠性挑戰(zhàn)嚴(yán)峻。溫度方面，蒸汽溫度常達(dá)600 ℃以上，部分機(jī)組的溫度將超過(guò)650 ℃。高溫使閥門(mén)材料原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致組織結(jié)構(gòu)破壞、性能劣化，還加速了氧化和蠕變，強(qiáng)度、硬度、韌性均降低。壓力方面，蒸汽壓力一般超25 MPa，甚至達(dá)30 MPa以上。
 

　　鑒于超超臨界閥門(mén)所處的工作環(huán)境，其材料需具備一系列特殊性能，以確保閥門(mén)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，并滿足超超臨界發(fā)電系統(tǒng)的嚴(yán)格要求。
 

　　各類(lèi)材料在不同性能維度的表現(xiàn)
 

　　從力學(xué)性能可以發(fā)現(xiàn)，高溫合金的高強(qiáng)度因其在承受高應(yīng)力的工況下表現(xiàn)出色，適合用于制造超超臨界閥門(mén)中承受較大壓力和載荷的部件，如閥殼、閥座等。Inconel 718在高溫下仍能保持較高的強(qiáng)度，滿足超超臨界機(jī)組在高溫運(yùn)行時(shí)對(duì)閥門(mén)強(qiáng)度的要求。在滿足超超臨界閥門(mén)基本強(qiáng)度要求的前提下，G115仍具有較好的力學(xué)性能，可用于某些對(duì)強(qiáng)度要求相對(duì)較低的部件，如閥體等。陶瓷材料由于其脆性較大，在承受沖擊載荷時(shí)性能較弱，一般不適用于承受較大沖擊的部件，但在一些對(duì)硬度和耐磨性要求較高的場(chǎng)合，如閥芯、閥座的密封面等部位，可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。
 

　　耐腐蝕性是超超臨界閥門(mén)材料的重要指標(biāo)。高溫合金在多種酸、堿介質(zhì)及氯化物環(huán)境中均具有良好的耐腐蝕性，馬氏體耐熱鋼G115對(duì)于水蒸氣和一般腐蝕性介質(zhì)有一定的耐腐蝕性，更偏向于腐蝕環(huán)境相對(duì)較輕的部位。陶瓷材料的耐腐蝕性，碳化硅陶瓷對(duì)酸、堿等化學(xué)介質(zhì)具有優(yōu)異的耐腐蝕性，在腐蝕環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定，可用于制造在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中工作的閥門(mén)部件，如耐腐蝕閥門(mén)的內(nèi)襯等。
 

　　抗氧化性方面，高溫合金和陶瓷材料表現(xiàn)出較好的性能。Inconel 600和Inconel 718在高溫環(huán)境下下抗氧化性較好。陶瓷材料如碳化硅陶瓷在1600 ℃以下抗氧化性較好，而氧化鋯陶瓷在1000 ℃以下時(shí)抗氧化性較好，適合用于高溫部位的閥門(mén)部件。馬氏體耐熱鋼G115在650 ℃以下有較好的抗氧化性，若超過(guò)上述溫度，抗氧化性能會(huì)逐漸下降，因此在高溫應(yīng)用時(shí)需要考慮其抗氧化性能的局限性。
 

　　成本也是不可忽視的因素。馬氏體耐熱鋼的成本相對(duì)較低，在滿足性能要求的前提下，能夠顯著降低閥門(mén)的制造成本，適合大規(guī)模應(yīng)用。高溫合金主要由于合金元素價(jià)格昂貴，且成分復(fù)雜，加工難度相對(duì)較大，成本較高。陶瓷材料的加工成本高，且原材料價(jià)格也相對(duì)較高，導(dǎo)致其總成本較高，目前在超超臨界閥門(mén)中的應(yīng)用范圍相對(duì)較窄。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)項(xiàng)目的成本預(yù)算和性能要求，合理選擇材料，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。
 

　　在實(shí)際選擇材料時(shí)，需要根據(jù)閥門(mén)的實(shí)際工況，如溫度、壓力、介質(zhì)腐蝕性等，以及性能要求和成本預(yù)算等因素進(jìn)行綜合考慮。針對(duì)強(qiáng)度和耐腐蝕性要求較高的關(guān)鍵部件，可以選擇高溫合金；在對(duì)成本較為敏感，且性能要求相對(duì)較低的部位，可以選擇馬氏體耐熱鋼；而在對(duì)硬度、耐磨性和耐腐蝕性要求的特殊場(chǎng)合，可以考慮使用陶瓷材料。通過(guò)合理選擇材料，能夠提高超超臨界閥門(mén)的性能和可靠性，降低制造成本，滿足超超臨界發(fā)電系統(tǒng)的需求。
 

　　超超臨界閥門(mén)新型材料的研發(fā)是推動(dòng)火電技術(shù)升級(jí)的核心驅(qū)動(dòng)力。目前，馬氏體耐熱鋼、鎳基合金等材料已在工程中取得一定的應(yīng)用，但仍面臨高溫性能不足、成本過(guò)高等挑戰(zhàn)。未來(lái)研究應(yīng)聚焦于材料成分優(yōu)化、表面防護(hù)技術(shù)創(chuàng)新及低成本制造工藝的開(kāi)發(fā)，通過(guò)多學(xué)科交叉融合，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
 

　　(1)高溫性能優(yōu)化技術(shù)。探索新型強(qiáng)化機(jī)制，通過(guò)納米析出相強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等手段提升材料的高溫強(qiáng)度。例如，在鎳基合金中引入鉭(Ta)、鈮(Nb)等元素，可形成細(xì)小彌散的強(qiáng)化相，抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高材料的抗蠕變性能。
 

　　(2)表面防護(hù)技術(shù)創(chuàng)新。開(kāi)發(fā)適用于超超臨界環(huán)境的涂層材料，如含鉻(Cr)、鋁(Al)的高溫抗氧化涂層，或采用等離子噴涂技術(shù)制備陶瓷—金屬?gòu)?fù)合涂層。經(jīng)研究表明，通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)制備的碳化鉻涂層可使材料在650 ℃下的氧化速率降低80%以上。
 

　　(3)低成本制備工藝開(kāi)發(fā)。利用激光選區(qū)熔化(SLM)等增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜閥門(mén)部件的一體化成型，減少材料浪費(fèi)并降低加工成本。開(kāi)發(fā)低能耗、低污染的材料制備工藝，如采用環(huán)保型熱處理技術(shù)替代傳統(tǒng)工藝，或通過(guò)優(yōu)化鍛造參數(shù)提高材料利用率。