超超临界阀门技术要求及新型材料的应用表现汇总

　　超(超)临界燃煤发电技术可有效提高火电机组效率、降低发电煤耗和减少污染物排放，有助于实现煤炭资源清洁高效利用、深入推进节能减排的要求。超(超)临界燃煤发电技术经历了常规超临界参数、超超临界参数、超(超)临界技术在范围内快速发展的三个阶段，在材料工业发展的支持下，朝着700℃等级超超临界技术发展。
 

　　600℃超超临界机组及阀门
 

　　材料要求
 

　　在燃煤发电机组的发展过程中，高温材料一直是机组类型改进提升的基础。对于超超临界机组，其材料要具备的性能概括为以下几个方面：①在高温蒸汽工况中，有较高的高温强度和抗氧化性能，具有较好的高温持久强度；②金属材料在高温下必须具有稳定的组织，具有较好的冷热加工工艺性能和良好的焊接性能；③在经济方面，成本可以保证实现商业化。
 

　　冶炼与锻造
 

　　对于细晶粒高强钢，必须采用真空冶炼或者电炉加炉外精炼等方法，保证材料化学成分和纯净化控制，才能确保锻件材料基本满足各项要求。锻造加工后材料组织均匀、致密，抗高温蠕变，疲劳能力高，综合性能好，适合制造高参数工况下的部件。
 

　　设计与机械加工
 

　　由于阀体结构复杂，工作参数高，国外通常先采用传统设计手段初步确定阀体结构，而后利用计算机辅助设计和有限元分析校核，根据分析结果修正设计参数，国外采用加工中心、数控机床和专用机床对超超临界火力机组阀门进行机械加工，保障了阀门精度和动作可靠性。
 

　　品质检验
 

　　对阀门材料化学成分、力学性能、金相组织、非金属夹杂物、晶粒度进行射线检测、超声波检测、磁粉检测或渗透检测。
 

　　700℃超超临界机组及阀门
 

　　700℃超(超)临界发电技术是指主蒸汽温度和再热蒸汽温度达到或超过700℃的先进超(超)临界燃煤发电技术。
 

　　700℃超超临界阀门关键技术攻关点：
 

　　能够在蒸汽温度 700℃条件下长期安全运行的高温金属材料的开发应用研究;
 

　　阀门结构设计研究，应力计算分析、热应力的分析研究，强度、高温热应力的分析，高温蠕变分析；
 

　　关键零部件设计、制造技术的研究，如弹簧、阀芯；
 

　　阀门试验、调试技术的研究；
 

　　加工、焊接、热处理等制造工艺的研究，大口径阀体铸、锻焊结构制造工艺技术研究；
 

　　主阀、辅助阀密封结构的设计研究；
 

　　阀门快速启闭和无冲击结构的设计研究，可靠性应力的分析研究；
 

　　阀门流通能力计算和结构研究，流体阻断性能研究；
 

　　阀门大流量高压差调节结构的设计研究，强度和可靠性分析计算；
 

　　高压差工况下阀门调节特性的研究；
 

　　阀门泄漏等级的研究；
 

　　阀门高压差喷水减温结构的计算研究；
 

　　驱动装置及控制系统研究。
 

　　超超临界阀门新型材料
 

　　超超临界阀门用于超超临界火电机组，其工作环境恶劣，对阀门性能和可靠性挑战严峻。温度方面，蒸汽温度常达600 ℃以上，部分机组的温度将超过650 ℃。高温使阀门材料原子热运动加剧，微观结构发生变化，致组织结构破坏、性能劣化，还加速了氧化和蠕变，强度、硬度、韧性均降低。压力方面，蒸汽压力一般超25 MPa，甚至达30 MPa以上。
 

　　鉴于超超临界阀门所处的工作环境，其材料需具备一系列特殊性能，以确保阀门能够长期稳定、可靠地运行，并满足超超临界发电系统的严格要求。
 

　　各类材料在不同性能维度的表现
 

　　从力学性能可以发现，高温合金的高强度因其在承受高应力的工况下表现出色，适合用于制造超超临界阀门中承受较大压力和载荷的部件，如阀壳、阀座等。Inconel 718在高温下仍能保持较高的强度，满足超超临界机组在高温运行时对阀门强度的要求。在满足超超临界阀门基本强度要求的前提下，G115仍具有较好的力学性能，可用于某些对强度要求相对较低的部件，如阀体等。陶瓷材料由于其脆性较大，在承受冲击载荷时性能较弱，一般不适用于承受较大冲击的部件，但在一些对硬度和耐磨性要求较高的场合，如阀芯、阀座的密封面等部位，可以发挥其优势。
 

　　耐腐蚀性是超超临界阀门材料的重要指标。高温合金在多种酸、碱介质及氯化物环境中均具有良好的耐腐蚀性，马氏体耐热钢G115对于水蒸气和一般腐蚀性介质有一定的耐腐蚀性，更偏向于腐蚀环境相对较轻的部位。陶瓷材料的耐腐蚀性，碳化硅陶瓷对酸、碱等化学介质具有优异的耐腐蚀性，在腐蚀环境下能够保持稳定，可用于制造在强腐蚀介质中工作的阀门部件，如耐腐蚀阀门的内衬等。
 

　　抗氧化性方面，高温合金和陶瓷材料表现出较好的性能。Inconel 600和Inconel 718在高温环境下下抗氧化性较好。陶瓷材料如碳化硅陶瓷在1600 ℃以下抗氧化性较好，而氧化锆陶瓷在1000 ℃以下时抗氧化性较好，适合用于高温部位的阀门部件。马氏体耐热钢G115在650 ℃以下有较好的抗氧化性，若超过上述温度，抗氧化性能会逐渐下降，因此在高温应用时需要考虑其抗氧化性能的局限性。
 

　　成本也是不可忽视的因素。马氏体耐热钢的成本相对较低，在满足性能要求的前提下，能够显著降低阀门的制造成本，适合大规模应用。高温合金主要由于合金元素价格昂贵，且成分复杂，加工难度相对较大，成本较高。陶瓷材料的加工成本高，且原材料价格也相对较高，导致其总成本较高，目前在超超临界阀门中的应用范围相对较窄。在实际应用中，需要根据项目的成本预算和性能要求，合理选择材料，以实现经济效益。
 

　　在实际选择材料时，需要根据阀门的实际工况，如温度、压力、介质腐蚀性等，以及性能要求和成本预算等因素进行综合考虑。针对强度和耐腐蚀性要求较高的关键部件，可以选择高温合金；在对成本较为敏感，且性能要求相对较低的部位，可以选择马氏体耐热钢；而在对硬度、耐磨性和耐腐蚀性要求的特殊场合，可以考虑使用陶瓷材料。通过合理选择材料，能够提高超超临界阀门的性能和可靠性，降低制造成本，满足超超临界发电系统的需求。
 

　　超超临界阀门新型材料的研发是推动火电技术升级的核心驱动力。目前，马氏体耐热钢、镍基合金等材料已在工程中取得一定的应用，但仍面临高温性能不足、成本过高等挑战。未来研究应聚焦于材料成分优化、表面防护技术创新及低成本制造工艺的开发，通过多学科交叉融合，突破关键技术瓶颈。
 

　　(1)高温性能优化技术。探索新型强化机制，通过纳米析出相强化、固溶强化等手段提升材料的高温强度。例如，在镍基合金中引入钽(Ta)、铌(Nb)等元素，可形成细小弥散的强化相，抑制位错运动，从而提高材料的抗蠕变性能。
 

　　(2)表面防护技术创新。开发适用于超超临界环境的涂层材料，如含铬(Cr)、铝(Al)的高温抗氧化涂层，或采用等离子喷涂技术制备陶瓷—金属复合涂层。经研究表明，通过化学气相沉积(CVD)制备的碳化铬涂层可使材料在650 ℃下的氧化速率降低80%以上。
 

　　(3)低成本制备工艺开发。利用激光选区熔化(SLM)等增材制造技术，实现复杂阀门部件的一体化成型，减少材料浪费并降低加工成本。开发低能耗、低污染的材料制备工艺，如采用环保型热处理技术替代传统工艺，或通过优化锻造参数提高材料利用率。