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镍在可再生能源发电设施中的关键作用
信息来源:世界金属导报2022-08-23B01      时间:2022-08-23 00:00:00

近年来,各国政府和组织的目标是在未来30年大幅扩大可再生能源发电的比重从而减少二氧化碳排放。不过,需要关注的是,安装可再生能源发电设备需要大量的结构和功能材料,这意味着对包括镍在内的特殊金属需求会增加。

镍有助于提高钢材性能

对于材料性能,高耐腐蚀性和/或耐热性对于确保关键部件的安全使用至关重要。在这种情况下,镍合金化奥氏体不锈钢或镍基超合金是首选材料。太阳能热电厂和地热发电厂也采用了镍含量较高的材料。不过,尽管镍合金化在结构碳钢材料中的应用非常重要,但业内的认识依旧不够深入。作为目前两大主要技术路线,今后水力将与风能一道成为可再生能源发电的主要支柱。在这两种技术中,结构碳钢是必要设备的主体材料,而镍作为钢中一种高度稳定的特殊合金化元素,在高效施工和使用上提供了优秀的性能。

镍的晶粒细化效应适用于大厚度产品

在结构钢中,镍发挥了重要作用,特别是使用大厚度和高强度材料的情况下。通过扩展奥氏体相区和降低奥氏体向铁素体转变温度,镍可以减慢多边形铁素体晶粒的早期形成,这类晶粒随后会在热轧后的低冷却速率下长大至过大尺寸。少数粗大晶粒会对韧性产生有害影响。当采用加速冷却时,镍提高了淬透性。即使对于中等强度结构钢中的多边形铁素体显微组织,镍的“慢化”效应也可以产生更细微的晶粒,实现强度和低温韧性的同时提升。虽然晶粒细化通常是通过微合金化与控轧技术结合使用实现的,但是当生产厚板时,要想提供足够大的轧制压下率依旧具有挑战性。因为在板材中心,大尺寸晶粒的出现往往不可避免。

镍的晶粒细化效应适用于大厚度产品,细化晶粒可以在整个厚度上实现更均匀的分布,从而提高韧性。

根据适用的标准规定,正火或热机械轧制细晶粒结构钢(EN 10025-3/4)以及海洋平台结构钢(EN 10225)的镍合金化最高可达0.85%。与其他合金元素相比,镍更容易使材料达到焊接规范所要求的碳当量最大值(图1)。较低的碳当量有利于避免在焊接热影响区产生不利的组织成分,从而改善冲击韧性,并间接地改善临界区的抗疲劳性能。

巨型陆上风塔用钢更有可能采用镍合金化

风力涡轮机采用中等强度的厚板作为塔架结构,塔高通常为70-140m,直径为4-5m。陆上风塔的厚板厚度通常是16-60mm,近海风塔和基础单桩的厚板规格为80-140mm。外壳截面通常由S355钢通过三辊弯曲生产。采用双道或多道次埋弧焊将板壳连接成环形片,然后通过轨道式焊接将其配置成罐体。由于运输限制,3-5个罐体重达200吨,用于建造离岸风塔;而陆上风塔由4-8个罐体组成,每个最大重量为80吨。陆上风塔市场通常使用成本最低的S355J0/J2牌号。不过,由于厚度更大,韧性要求也更苛刻,用于离岸风塔和将塔体固定到海底的单桩的S355厚板在镍合金化上具有明显的潜力。根据离岸标准(EN 10225,S355G9/G10),甚至强制要求某些S355钢板的厚度超过40mm。今后高功率陆上风塔的极端轮毂高度目标可能会达到180-200m,这是因为在更高海拔上的风力要强得多,也需要更稳定的结构性能。在更高的操作负荷和更苛刻的环境条件下,要求厚板更厚和韧性性能更优。出于这些原因,建造这类巨型陆上风塔的钢材也应该更有可能采用镍合金化。

镍适用于超高强调质钢

调质高屈服强度结构扁平材规范(EN 10025-6)定义了镍合金化的上限为4.0%。该类型钢材的屈服强度范围为460-960MPa,在淬火过程中通过镍合金化促进形成硬化的晶粒组织。在给定的合金钢中添加2%的镍使可淬透厚度提高了3倍以上。不过,添加更多的镍不仅仅是为了提高淬透性。除了通过晶粒细化产生降低延性-脆性转变温度(DBTT)的间接影响外,镍直接有助于产生优异的低温韧性,这种功能与改善铁晶格内位错的迁移率有关,镍含量在7%-9%范围时,这是一种常见现象,从而将DBTT降低到-200℃以下。生产超高强调质结构钢需要借助晶粒细化的强化机制,但这些强化机制对低温韧性不利。因此,通过添加适量的镍来补偿这种韧性损失,允许根据最低的工作温度调整DBTT。

超高强调质钢,以钢板或钢卷形式生产,在其他可再生能源技术中也发挥着至关重要的作用。例如,它被用来制造压力水管,这些压力水管将水库的水输送到水电站水轮机的管柱。在抽水蓄能电站中,水库与水轮机(水头)的高度差很大,可达1000m以上,压力管道下部的水压可达200bar,强度为690-890MPa,承受这种巨大压力需要20-80mm的厚板。这些钢板中的镍含量通常为1%-2%。由于绿色能源生产经常受到输出不稳定甚至光暗周期的困扰,因此,泵站储存设备对于电网稳定是必不可少的。风电场和光伏发电场在高产阶段产生的多余电能通过上游的水抽入蓄能池进行储存。在用电高峰期或电网短缺期间,当电网需要额外的电力时,水流与水泵相反,水泵并不能发挥发电机的作用,提供大量的可用电能。

为了达成2050年的气候目标,还需要建成更多的可再生能源设施,因此不仅需要更多的钢材建造这类设施,还需要建造辅助设备。后者主要包括起重机等设备,以及重型运输车辆和船舶,其中高强钢材就是不可或缺的组成部分。

例如,能够将数百吨重的重型风力涡轮机部件提升到100m以上高度的移动式起重机已经使用了1100MPa强度的调质钢。考虑到其冶金性能,镍是这类钢中的重要合金化元素,可以同时兼顾强度、低温韧性和焊接性的要求。

小结

与其他合金元素一样,镍市场面临着一定的波动性,偶尔会出现价格高峰期。这类事件经常会引发人们要求采取合金成本节约措施,并寻找更便宜的替代品。虽然这种个别效应的替代是完全可能的,但镍的冶金功能的完整性则是独一无二的。时至今日,在结构钢合金中,只有在需要这种完整的功能时才会添加镍,盲目的替代并不可取。(罗晔)

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