平成 22 年度 EPRI International Conference on Advances in Materials Technology for Fossil Power Plant 出席報告

6^{t h} International Conference on Advances in Materials Technology for Fossil Power Plants 出 席 報 告

１ ． 出 席 ス ケ ジ ュ ー ル 8 月 31 日（ 火 ）Key Note

Plenary セ ッ シ ョ ン

9 月 01 日（ 水 ） USC ボ イ ラ 材 料 酸 化 ・ 火 炎 側 腐 食 USCタ ー ビ ン 材 料 9 月 02 日（ 木 ）ク リ ー プ 9Cr 鋼 先 進 コ ー テ ィ ン グ

USC 鋳 造 品 9 月 03 日（ 金 ） 9Cr 鋼 先 進 ス テ ン レ ス 鋼 溶 接 部

（注記）8/31、9/1、9/2及び9/3の並行セッションでは、関連の深い報告を聴講した。

２ ． 開 催 場 所 ：La Fonda on the Plaza, Santa Fe, New Mexico, USA.

３ ． 会 議 の 概 要

今回のEPRI火力発電プラント材料工学の進歩に関する国際会議（第6回）は、EPRIのFossil Materials and Repair (P87), Boiler Life and Availability Improvement (P63), HRSG Dependability (P88)及びSteam Turbine, Generators and Balance-of-Plant (P65)の共同開催会 議である。火力発電プラントの高効率化に関連して、欧州ではA-USC設備用の材料の実機試験が 行われていて、米国では5年間のPhase 1試験が終了した。そして、Phase 2試験が進行中であ

る。A-USC技術は材料技術の進歩に支えられているものであり、A-USCを可能とする材料技術に

ついての最新の状況の報告があった。また、625℃までの温度のプラントの材料の課題である｢ク リープ寿命評価｣についての報告もあった。

４ ． 会 議 の ト ピ ッ ク ス

（ １ ）8 月 31 日 （ 火 ） KEYNOTES

① Fossil Generation: EPRI Perspective, H. Courtright, EPRI

Materials Technology to Support a Low-Carbon Future と題しての講演であった。

EPRIは1973年に設立され、現在は40ヶ国以上の国の450機関が参画する団体になった。

米国におけるCO2削減は2030年には2005年に比して41％であり、2050年には83％

を目標にしている。そのために、Renewable、Nuclear、New Fossil、CCSに大きな期待 をしている。また、PEVも大きくCO2削減に寄与する。米国の4地域における将来のエネ ルギー構成には大きな相違がある。米国の西部海岸地域では地熱発電が今後大きな増加を 示す。

低コストでO2を分離する技術の開発を行っているが、Ceramic膜が有望になっている。

原子力の分野では、Material AgingのR&Dが重要であり、EPRIとTEPCOの共同プロ グラムを開始した。今後は、エネルギー貯蔵の技術が重要であり、2030年には約400kW/kg の貯蔵密度を目指した開発が行われている。

② Advanced Fossil Materials Research at NETL/DOE, R. Romanosky, NETL/DOE

2030年の米国におけるエネルギー需要の増加は2006年比11％の増加であるが、世界の エネルギー増加は45％の増加である。大きなCO2削減の技術開発が益々重要である。その ために必要な技術開発の項目は次のとおりである。

・ 高性能な材料開発

・ 760℃級ボイラ・タービン用の材料開発（長時間材料劣化の同定が重要）

・ 石炭ガス化の材料チャレンジ（1,325～1,600℃）

・ 酸素燃焼

・ 先進型燃焼タービン用の材料開発

SOFC用の材料開発（650～850℃）……SOFCコスト低減、効率向上 Plenary Sessions

① The European Perspective and Advancements for Advanced USC, R. Blum, DONG Energy Power

2030年の欧州におけるエネルギー需要の増加は2005年比34％の増加であるが、全世界の エネルギー需要の増加は 94％の増加が予想されている。これの解決策は Clean Coal Technologyである。

300bar/600℃も欧州では解決策として有望視されている。ボイラの高温化を阻害する要因 として、有望な12％Cr鋼がないことが上げられる。この12％Cr鋼の開発には、マルテンサ イト組織のZ相強化が有望とされている。これが実現すれば、325bar/650℃プラントの道が 開かれる。

AD700は700/720/375barで効率52～55％HHVで、15％のCO2削減を狙ったものである。

Alloy 740が700℃級プラント実現のホープである。設備の高温化による効率向上は次のとお

りである。

300bar/600℃ 47.5％HHV 300bar/600/600℃ 48％

300bar/650℃ 49.5％HHV 300bar/650/650℃ 51％

350bar/700℃ 51.0％HHV 350bar/700/720℃ 52％（Top Turbineの使用で53％）

Combined Heat and Powerの効率は65％にも及ぶ可能性がある。10～20％のBiomass 燃焼によってCO2削減を進めることの有望な選択肢である

② R&D Program for A-USC Material Development with Creep Strength/Degradation Assessment, F. Masuyama, Kyushu Institute of Technology

2007年から2011年の間、700℃級火力発電プラント材料に関するMETI/NEDOプロジェ クトが進行している。参加機関は新日鉄、住友金属、NIMS及び7個の大学である。この他 に、2008年からエネ庁の補助金プロジェクト、RSAは2010年までの予定で開始されている。

エネ庁のプロジェクトは旧型のプラントを 700℃級プラントで置き換える計画として進行し ている。材料種類に応じた最高使用温度は次のとおりである。

Ferrite系 630→650℃ Mitigate Type IV Cracking

Austenitic →700℃ Reduction to 0.7 of Base Metal（WSRF）

Ni-based →750℃

NIMSが開発の9％Cr鋼は650℃での性能が良好である。700℃の10万時間クリープ強度 が 90MPa を 超 え る 材 料 は HR6W、SAVE25 及 び Sancro25 で あ る 。 こ の 他 に Fe-18Cr-30Ni-3Nbが有望である。更に高温用の材料としてAlloy 740、Alloy 263、Alloy 230 及びAlloy 617があるが、Alloy 263 Modifiedが強度面で有望である。溶接性が十分でない ので、インサート付きの拡散接合技術が必要となる。

③ Structure Stability Study on USC Power Plant Advanced Heat-Resistant Steels, X. Xie, University of Science and Technology

中国の石炭火力発電は、2005年に600℃級のプラントは運開したことによって大きな変化 をした。中国独自で高温プラント用の材料開発を開始している。候補材は次のとおりであり。

Ferrite系 12Cr-2MoWVTiB 600℃級 Austenite系 Super 304H 650～700℃級 Ni基系 GH2984、Alloy 740、Nimonic 80A

GH2984は中国規格材でNi-Fe-Cr基合金である。12Cr-2MoWVTiBは600℃／10万時間

強度が約 84MPa で、600～620℃以下の温度での適用が期待されている。Super 304H は

650℃／10万時間強度が約104MPaである。

GH2984は優れた酸化・腐食特性を有すると同時に、良好な加工性・溶接性を有する。700℃

までの温度での適用が有望視される。Nimonic 80Aも700℃までの温度での適用が有望視さ れる。Alloy 740は725℃までの温度での適用が有望視される。Alloy 740 Modifiedは安定な 組織を有していて、800～850℃の温度までの適用が可能と推定される。

④ Economic Analysis of Advanced Ultra-Supercritical Pulverized Coal Power Plants: A Cost-Effective CO2 Emission Reduction, J. Phillips, EPRI

米国でのUltra Gen計画でのCO2削減の計画は次のとおりである。

Ultra Gen I 1 Million Ton CO2 per year Ultra Gen II 3.8 Million Ton CO2 per year

Ultra Gen I 3.5 Million Ton CO2 per year（他にPost Combustion Captureも 行われる。）

新材料の開発によってプラントの効率と排出CO2量は次のとおり低減の予定である。

現行USC 39.2％HHV 836 CO2 MWh 650℃級 42.7％HHV 763 CO2 MWh 750℃級 44.7％HHV 729 CO2 MWh

Carbon Capture Costは設備の効率の向上によって吸収すべきと考えている。新材料の開

発によって設備の効率向上は可能となっているが、Alloy 740の材料CostはFerrite系の2 倍に及び、製造Costは約3倍に及ぶ予想である。

⑤ U.S. Program for Advanced Ultra-Supercritical Coal-Fired Power Plants, J. Singledecher, EPRI

700℃級のAlloy 617を適用すると、材料の重量は大きく低減し、厚さも薄くなるので、材

料のLow Cost化と製作作業のLow Work化が可能となる。燃料の低減効果は大きく、従来

の25～35％低下が予測されている。Alloy 740他の材料に必要なことは次の件である。

Code Allowable Stress Design Formula Cold Work Rule

EPRIのSteam Turbine Program Iは既に終了していて、Haynes 282が材料として選定 された。溶接Rotorとして、Alloy 263とAlloy 617の溶接、Haynes 282とUdimet 720Li の溶接が実証された。

Ni基合金の鋳造については、冷却速度と偏析の関係が分かった。

Steam Turbine Program IIでは、Turbineに及ぼすOxycombustionの影響が大事となっ ている。溶接性の改善及び溶接部の性能の改善が大きな課題である。これらは 2015 年まで に解決の予定である。

⑥ Fossil Materials Research at EPRI, D. Gandy, EPRI

EPRIの火力関係Projectでは、P87（Fossil Materials and Repair）、Strategic Program

（TI）及びMaterials, Fossil and Nuclearが密接に関連した研究が行われている。P87の Sub-Programは次のとおりである。

P87.001 Availability Increase

P87.002 Fossil Application and Welding Technology P87.003 Reliability of Material, Corrosion, Abrasive, ……

EPRIでは、低温でのGraphitizationも研究している。異材継手の性能の改善ではFM87が開発 された。耐食性の改善の観点で、Nanostructural Coating（硬さ及び靱性が良好なCoating膜）が 弁Stem用に開発された。

Strategic Program（TI）では次の研究を行っている。

P92寿命予測……EPRI/CRIEPIの共同研究 Turbine Bladesの腐食疲労及び寿命予測 高温エロージョン

粉末冶金による大型機器の製作

クリープ性能を改善したAustenitic Alloyの開発

粉末冶金では、粉末冶金後にHIPを行うこととしていて、Type 316LのValve Bodyを製作して、

この方法が可能であることを実証した。

その他のSupplemental Funded Programには次がある。

DOE USC Material Program T23 Chemistry Creep

DOE Nano-Coating CSE Material

（２）9月1日（水）

USC Boiler Materials

① Advances in Materials Technology for USC Power Plant Boilers, H. Okada, Sumitomo Metals Industries

7％Cr鋼のクリープ強度は低いが、9％Cr、10％Cr及び12％Cr鋼の強度は同じである。

Gr.92の組織はGr.122の組織に比して安定である。0.12C-0.002Nと0.08C-0.05Nのクリ ープ強度を比較すると、短時間では後者の強度が大きいが、長時間では前者の強度が大き い。長時間で後者のクリープ強度が大きい理由は析出物の均一析出による。析出は次のと おり。

微細な析出物の分散：MX及びM23C6

結晶粒界析出物の安定化：M23C6及びLaves

700℃／10万時間で100MPaが目標である。HR6Wは、その目標に合致する材料として

開発された。

化学成分は 0.08C-23Cr-45Ni-7W-0.1Ti-0.2Nb である。クリープ試験後の析出物は次の とおり。

700℃／60,000h 微細なLaves、MX、M23C6

750℃及び800℃ Laves相の粗大化によるクリープ強度低下

HR6Wより強度の高い材料としてHR35（0.06C-50Ni-30Cr-4W-8Ti-B,Zr）を開発した。

HR6Wはγ＋Laves相の組織であるが、HR35はγ＋αCr＋Laves相の組織である。αCr

＋Laves相による高温強度向上を狙った材料である。HR35の700℃／10万時間クリープ 強度はAlloy 617を上回る予測である。

② GKM Test Rig: Investigation of the Long-Term Operation Behavior of Tubes and Forgings Made of Alloys for Future High-Efficiency Power Plants, K. Maile, MPA

University Stuttgart

700℃級ボイラ材料開発に関する725HTW GKM Projectの内容報告である。Projectは 2008年に開始され、Test Loop試験は2009～2012年の計画で行われている。厚肉配管材 料の試験は2011～2013年の計画で実施予定である。試験Loopは、Creep Test Loop 1（温 度630℃）、Creep Test Loop 2（温度725℃）の他、燃焼ガス温度1,200℃のSuperheater Test Loop（温度585℃、630℃、680℃、725℃）がある。更に、725℃蒸気の外部配管が 設置されている。

725℃Loop には HR35、617Modifiy、263 及び 740 が設置されていて、外部配管は 617Modifyとなっている。この試験設備の設置のためのCodes & Standardsは次のとおり である。

PED Module G AD200

VGB12508

VdTUV Data Sheet

溶接では、溶接入熱及びパス間温度がコントロールされた。溶接部には RT を施工し、

溶接部の試験として衝撃試験、引張試験、曲げ試験、金属組織観察及び硬さ試験が行われ た。263は溶接後析出熱処理が施工された。このProjectの目標は次のとおりである。

Martensitic Materials 625～650℃

Austenitic Materials（18Cr） 600～650℃

Austenitic Materials（25Cr） 625～650℃

Ni基合金 650～800℃

③ Design Concept and Creep Properties of Novel Austenitic Heat-Resistant Steels for A-USC Power Plants, M. Takeyama, Tokyo Institute of Technology

Austenitic Steel Design ConceptについでのNEDO Projectの報告であった。Austenitic Steel の高温強度はFe2M及びNi3Mの析出に依存する。新しい Austenitic Steelとして Fe-20Cr-30Ni-2Nbを提案した。

Fe2Mは700℃で結晶粒界に析出し、Ni3MはMatrixに析出し、クリープ強度の向上に 寄与する。この材料のクリープ強度はHR6Wに近い。結晶粒界に析出するFe2Mは結晶粒 界で転位を堆積させることによってクリープ強度を向上させる。

④ Research and Development of Advanced Boiler Steel Tubes and P Fe2M及びNi3Mipes used for 600 deg-C USC Power Plants on China, X.S. Xie, University of Science and Technology Beijing

中国の火力発電プラントの実績及び目標は次のとおりである。

2007年 600℃級ボイラ Gr.92、S30432、S31042、

2010年 650℃級ボイラ

700℃ボイラ R&D Collaborates φ298及びφ508のP92配管は2009年にPan Steelで製造に成功した。

φ38～60のS30432伝熱管も製造に成功した。化学成分はCreep性能のためにCu≦3％、

IGC抵抗のためにC≦0.07～0.08とした。

600℃級プラントは輸入品であったが、中国の国産プラントとして製造する目途がついた。

⑤ Process Development of Heavy Large Diameter Nickel-Base Alloy Piping, L.G.

Klingeensmith, Wyman-Gordon Forgings

A-USC用の大型部材の製作を行った。