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

　　600℃超超臨界機組及閥門
 

　　材料要求
 

　　在燃煤發(fā)電機組的發(fā)展過程中，高溫材料一直是機組類型改進提升的基礎。對于超超臨界機組，其材料要具備的性能概括為以下幾個方面：①在高溫蒸汽工況中，有較高的高溫強度和抗氧化性能，具有較好的高溫持久強度；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)濟方面，成本可以保證實現(xiàn)商業(yè)化。
 

　　冶煉與鍛造
 

　　對于細晶粒高強鋼，必須采用真空冶煉或者電爐加爐外精煉等方法，保證材料化學成分和純凈化控制，才能確保鍛件材料基本滿足各項要求。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。
 

　　設計與機械加工
 

　　由于閥體結(jié)構復雜，工作參數(shù)高，國外通常先采用傳統(tǒng)設計手段初步確定閥體結(jié)構，而后利用計算機輔助設計和有限元分析校核，根據(jù)分析結(jié)果修正設計參數(shù)，國外采用加工中心、數(shù)控機床和專用機床對超超臨界火力機組閥門進行機械加工，保障了閥門精度和動作可靠性。
 

　　品質(zhì)檢驗
 

　　對閥門材料化學成分、力學性能、金相組織、非金屬夾雜物、晶粒度進行射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測或滲透檢測。
 

　　700℃超超臨界機組及閥門
 

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

　　700℃超超臨界閥門關鍵技術攻關點：
 

　　能夠在蒸汽溫度 700℃條件下長期安全運行的高溫金屬材料的開發(fā)應用研究;
 

　　閥門結(jié)構設計研究，應力計算分析、熱應力的分析研究，強度、高溫熱應力的分析，高溫蠕變分析；
 

　　關鍵零部件設計、制造技術的研究，如彈簧、閥芯；
 

　　閥門試驗、調(diào)試技術的研究；
 

　　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)構制造工藝技術研究；
 

　　主閥、輔助閥密封結(jié)構的設計研究；
 

　　閥門快速啟閉和無沖擊結(jié)構的設計研究，可靠性應力的分析研究；
 

　　閥門流通能力計算和結(jié)構研究，流體阻斷性能研究；
 

　　閥門大流量高壓差調(diào)節(jié)結(jié)構的設計研究，強度和可靠性分析計算；
 

　　高壓差工況下閥門調(diào)節(jié)特性的研究；
 

　　閥門泄漏等級的研究；
 

　　閥門高壓差噴水減溫結(jié)構的計算研究；
 

　　驅(qū)動裝置及控制系統(tǒng)研究。
 

　　超超臨界閥門新型材料
 

　　超超臨界閥門用于超超臨界火電機組，其工作環(huán)境惡劣，對閥門性能和可靠性挑戰(zhàn)嚴峻。溫度方面，蒸汽溫度常達600 ℃以上，部分機組的溫度將超過650 ℃。高溫使閥門材料原子熱運動加劇，微觀結(jié)構發(fā)生變化，致組織結(jié)構破壞、性能劣化，還加速了氧化和蠕變，強度、硬度、韌性均降低。壓力方面，蒸汽壓力一般超25 MPa，甚至達30 MPa以上。
 

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

　　各類材料在不同性能維度的表現(xiàn)
 

　　從力學性能可以發(fā)現(xiàn)，高溫合金的高強度因其在承受高應力的工況下表現(xiàn)出色，適合用于制造超超臨界閥門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度，滿足超超臨界機組在高溫運行時對閥門強度的要求。在滿足超超臨界閥門基本強度要求的前提下，G115仍具有較好的力學性能，可用于某些對強度要求相對較低的部件，如閥體等。陶瓷材料由于其脆性較大，在承受沖擊載荷時性能較弱，一般不適用于承受較大沖擊的部件，但在一些對硬度和耐磨性要求較高的場合，如閥芯、閥座的密封面等部位，可以發(fā)揮其優(yōu)勢。
 

　　耐腐蝕性是超超臨界閥門材料的重要指標。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)境相對較輕的部位。陶瓷材料的耐腐蝕性，碳化硅陶瓷對酸、堿等化學介質(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，可用于制造在強腐蝕介質(zhì)中工作的閥門部件，如耐腐蝕閥門的內(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 ℃以下時抗氧化性較好，適合用于高溫部位的閥門部件。馬氏體耐熱鋼G115在650 ℃以下有較好的抗氧化性，若超過上述溫度，抗氧化性能會逐漸下降，因此在高溫應用時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較低，在滿足性能要求的前提下，能夠顯著降低閥門的制造成本，適合大規(guī)模應用。高溫合金主要由于合金元素價格昂貴，且成分復雜，加工難度相對較大，成本較高。陶瓷材料的加工成本高，且原材料價格也相對較高，導致其總成本較高，目前在超超臨界閥門中的應用范圍相對較窄。在實際應用中，需要根據(jù)項目的成本預算和性能要求，合理選擇材料，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益。
 

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

　　超超臨界閥門新型材料的研發(fā)是推動火電技術升級的核心驅(qū)動力。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用，但仍面臨高溫性能不足、成本過高等挑戰(zhàn)。未來研究應聚焦于材料成分優(yōu)化、表面防護技術創(chuàng)新及低成本制造工藝的開發(fā)，通過多學科交叉融合，突破關鍵技術瓶頸。
 

　　(1)高溫性能優(yōu)化技術。探索新型強化機制，通過納米析出相強化、固溶強化等手段提升材料的高溫強度。例如，在鎳基合金中引入鉭(Ta)、鈮(Nb)等元素，可形成細小彌散的強化相，抑制位錯運動，從而提高材料的抗蠕變性能。
 

　　(2)表面防護技術創(chuàng)新。開發(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制備陶瓷—金屬復合涂層。經(jīng)研究表明，通過化學氣相沉積(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)低成本制備工藝開發(fā)。利用激光選區(qū)熔化(SLM)等增材制造技術，實現(xiàn)復雜閥門部件的一體化成型，減少材料浪費并降低加工成本。開發(fā)低能耗、低污染的材料制備工藝，如采用環(huán)保型熱處理技術替代傳統(tǒng)工藝，或通過優(yōu)化鍛造參數(shù)提高材料利用率。