1000MW超超临界机组四大管道材料选择论述(精)

1000MW超超临界机组四大管道材料选择论述程永霞陶伟静（东北电力设计院热机室吉林省吉林市132012）摘要：本论文通过综合分析国内外高温高压合金钢技术特性及电力行业应用情况，对1000MW超超临界机组四大管道材质及规格进行了详细计算及选取，对四大管道的材料和规格提出了具体要求和详细的论述。关键词：超超临界；咼温蠕变；抗氧化性能；电熔焊接钢管；A335P91/P92材料主蒸汽管道材料论述超超临界机组电厂的设计关键之一是选择合适的钢材，不论是汽机本体、锅炉水冷壁、过热器、再热器，还是四大管道，均应选择合适的钢材，合适的钢材一般考虑以下因素：要求具有咼的咼温热强度、耐咼温腐蚀、耐汽侧氧化、有良好的焊接及加工性能，经济上比较合理。目前，国际上对于600°C以上的高温管道，没有非常成熟的材料，各国对600C以上的高温管道材料均处于开发、研制和试验阶段。根据各国的应用经验，适用于600C以上的高温管道材料主要有ASTMA335P92、ASTMA335P122和E911等三种，三种材料的高温蠕变断裂强度试验均未做到100000小时，均是根据一定时间的试验数据外推得出的。三种材料均没有纳入正式标准，如ASME标准，只列入ASMECodeCase（案例）中，ASMECodeCase中的内容是ASME委员会根据一定的试验数据和应用经验批准使用的，在一般情况下只能参照使用。而对于主蒸汽管道，P91材料已应用到最高极限温度，管道热强度较低，经计算会使管壁较厚，管道刚度大，管道热应力计算不好过关，对设备推力较大，且影响机组变负荷速率，故不宜选用。在新型的P92、P122和E911三种钢材中，从国外的使用业绩看，欧洲的超临界机组，较早采用了P92和E911，而日本机组虽然温度普遍高于欧洲机组，但其压力略低于欧洲机组，多采用P92和P122。国内用得较多的是P92，如华能玉环电厂和华能营口电厂二期等，主要原因是P92的焊接可利用P91的焊接经验，而P91的焊接经验国内已经掌握。P92、P122和E911三种耐高温材料的高温蠕变强度，必须满足由于管道热膨胀而引起的热应力要求，一般说来，适合于高温管道的材料，在其工作温度下的105h蠕变强度值，应能达到90〜100MPa，同时要求管道材料的热胀系数比较小，且导热系数较大，从而能降低管道内外壁的应力差。对于P92和P122钢材，由于目前的试验未达到105h，ASME规范中现在的数据是日本新日铁和住友公司根据短时间蠕变断裂数据外推出来的，分别为132MPa和128MPa，E911/600°C105h的高温蠕变强度为115MPa。根据105h的蠕变强度值，可计算出管壁厚度并推算出三种钢材单位长度的重量比为：E911：P92：P122=100：66：72从高温热强度来看，P92和P122有较大的优势，其管壁可以相对较薄，既可节省初投资，又可解决管壁过厚的焊接问题及管道设计问题。目前主蒸汽管道可选用的钢材均为Cr铁素体耐热钢，供货状态为回火，在高温运行中，其组织结构变化主要包括：位错密度降低，固溶W析出形成Laves相等等。前者降低高温强度，固溶W减少也会降低强度，三种钢材中P122因含有1%的Cu会促使Laves相的析出和长大，在长期运行中稳定性最差，E911和P92接近，运行105h后P122冲击韧性降低明显，P92和E911也明显降低。从焊接方面比较，P92、P122和E911三种钢材均为新材料，降低焊缝的脆性是一个重要的技术问题，需要从焊材和工艺方面进行解决，W的含量有一定影响。P92和P122比E911需要更长的焊后热处理时间，来保证焊缝韧性。焊缝裂纹的敏感性，P92与E911接近，但作为12Cr钢的P122在焊接上会有更大的难度。焊缝的强度在短时间内与母材相当，但在长时间的运行中，在热影响区存在IV型裂纹倾向，强度降低30%，所以，在工程进行的同时，应对焊接接头的长期性能进行研究，并提出相应的监督和措施和手段，保证焊接接头的安全。对于超超临界机组的主蒸汽管道，抗氧化性能也是一个关键问题，P92、P122和E911三种耐热钢材的抗蒸汽氧化性能，主要取决于Cr和Si的含量，P92和E911的含Cr量都是9%,其抗氧化能力相近，P122含Cr量为12%，抗氧化能力较P92和E911稍强。由于超超临界机组蒸汽温度提高，蒸汽侧氧化和氧化层剥落问题，比亚临界机组和普通超临界机组严重，国外超超临界机组中有因为严重的蒸汽氧化问题被迫降参数运行的情况，问题主要在过热器和再热器，对于600°C以下运行的主蒸汽管道，由于金属壁温的波动不频繁，氧化层剥落的可能性较小，运行一段时间后，氧化速率逐渐下降达到平衡，所以9%Cr钢可以满足抗蒸汽氧化的性能要求。根据上述对三种耐热钢在高温热强度方面、焊接性能方面以及抗氧化性能方面的综合比较，锦州工程仍优先选用P92作为主蒸汽材料。对于ASTMA335P92材料，按常规采用的许用应力数据应为ASMECodeCase2179-3中的数据，即610°C时为79.4MPa，但欧洲蠕变委员会（ECCC）2005年9月公布了经过评估的P92材料100000小时的持久强度数据，据此推出P92材料的许用应力，610C时为66.6MPa，该值在ASMECoadCase2179-3标准中又没有更新，而P92材料又没有列入欧洲标准的“非常”时期，为安全可靠起见，管道规格按照许用应力为610C时66.6MPa选用。类似参数工程主蒸汽管道情况统计表工程名称材料最小内径X最小壁厚主管：ID349X72玉环（2X1000MW）P92支管：ID248X53主管：ID381X78邹县四期（2X1000MWP92支管：ID254X53.4主管：ID368X91绥中二期（2X1000MWP92支管：ID260X66主管：ID406X98华能营口二期（2X600MW）P92支管：ID292X71主管：ID368X91华润锦州（2X1000MWP92支管：ID260X66再热热段蒸汽管道材料论述再热热段蒸汽管道的温度与主蒸汽管道的温度相当，选择的管道材料也要耐同样的高温，所以，P92、P122和E911仍然是所选之列，考虑到超超临界机组采用P91钢有一定的业绩，而再热热段蒸汽管道压力不高，如果采用P91，管道的壁厚也不会太厚，不会出现高强度材料薄壁管道的加工和焊接难题，所以保留P91材料作为再热热段蒸汽管道的材料，也是一个选择。同样考虑P122的焊接技术难点和E911的价格问题，国内同类型机组基本上只在P92和P91两种材料中比较、选择。1000MW（或600MW）超超临界机组就P91和P92两种材料进行比较后进行优选，下面是一些知名专家关于P91材料的论述。西安热工研究院的周荣灿、范长信的论文《超超临界火电厂材料研究综述及选材分析》中有如下论述：“P91在国内已经有10余年的使用经验，在日本P91钢最高使用温度超过了600°C，但在欧洲，根据欧洲蠕变合作委员会（ECCC）的建议，P91的设计许用应力比美国和日本低10%，认为P91只能用于25MPa/593C或30MPa/580C以下的蒸汽参数。建议在我国的机组中使用温度不超过580C。”苏州热工研究院的赵彦芬、张路以及西安热工研究院的刘江南、王正品、耿波、石崇哲联合撰写的论文《T91钢再热器管高温蒸汽氧化机理的研究》中得出如下结论：“T91/P91钢在600°C左右时的氧化腐蚀非常严重”。宣读论文时强调：在日本，P91钢早期最高使用温度为650C，后来降至625C，现在600C以上的蒸汽管道采用P122材料。建议T91/P91钢的最高使用温度为593C。”华北电力大学的段丽、徐鸿撰写的《超临界机组高温高压管弯头蠕变效应分析》中，从材料蠕变的角度有如下论述：“除小口径管T91在电站锅炉高温过热器和高温再热器得到广泛地使用外，大口径管P91管也在电站锅炉中得到应用，主要用于制造金属壁温不超过600C的高温过热器集箱、高温再热器集箱以及高温再热蒸汽管道、主蒸汽管道等。”根据国内有关专家论著中的信息，根据锅炉出口参数，按现行标准确定再热热段蒸汽管道设计压力为再热器出口安全阀动作的最低整定压力，一般为4.7〜4.97MPa,设计温度为锅炉再热器出口额定温度加3°C的温度偏差，即608°C，如采用P91管材有一定风险。因而确定P92作为再热热段的另一种管道材料需要说明的是，与主蒸汽管道相同，对于P92材料，按常规采用的许用应力数据为ASMECodeCase2179-3中的数据，即608C时为81.1MPa，但欧洲蠕变委员会（ECCC）2005年9月公布了经过评估的P92材料100000小时的持久强度数据，据此推出P92材料的许用应力，608C时为68.4MPa,该值在ASMECoadCase2179-3标准中同样没有更新，而P92材料没有列入欧洲标准的“非常”时期，同样为安全可靠起见，管道规格按照许用应力为608C时68.4MPa选用。类似参数工程再热热段蒸汽管道情况统计表工程名称材料最小内径X最小壁厚主管：ID699X50玉环（2X1000MWP91支管：ID502X38主管：ID749.3X44.45邹县四期（2X1000MWP91支管：ID520.7X32主管：ID749X38绥中二期（2X1000MWP92支管：ID527X28主管：ID883X41华能营口二期（2X600MW）P92支管：ID616X29主管：ID749X38华润锦州（2X1000MWP92支管：ID527X28再热冷段蒸汽管道材料论述对于再热冷段蒸汽管道，虽然超超临界主蒸汽压力提高，但受到低压缸排汽湿度的限制，高压缸的排汽压力变化不大，因此，其正常工作最高排汽温度也不会超过400°C。如果机组没有特殊要求，再热冷段蒸汽管道可采用最高允许使用温度为427°C的A672B70CL32电熔焊接钢管。对欧洲技术流派的锅炉，由于其设置的100%旁路代替锅炉的安全门功能在此情况下喷水减温失灵，为确保锅炉安全，高压旁路阀也必须要求开启，再热冷段管道必须全部选用低合金材料，如A691Cr1-1/4CL22电熔焊接钢管。对于美国技术流派的锅炉，可以用A672B70CL32电熔焊接钢管，但考虑汽轮机高压缸排汽在某些状况会出现温度超过500°C的时候，所以在高压缸排汽止回阀之前管道材料选用低合金A691Cr1-1/4CL22电熔焊接钢管。可见超超临界1000MW机组的再热冷段蒸汽管道材料与600MW普通超临界、亚临界机组一样，不涉及新材料的应用。1000MW机组根据汽轮机高压缸排汽出口参数，按现行标准确定再热冷段蒸汽设计压力为汽轮机最大计算出力工况下高压缸排汽压力的1.15倍，为6MPa左右，设计温度为汽轮机最大计算出力工况下高压缸排汽参数，等熵求取在管道设计压力下的相应温度，为365°C左右。最终根据主机招标情况确定A672B70CL32或A691Cr1-1/4CL22作为再热冷段的管道材料。类似参数工程再热冷段蒸汽管道情况统计表工程名称材料最小内径X最小壁厚主管：OD1067X38.1玉环(2X1000MWA691Cr1-1/4Gr22支管：OD762X28.58主管：OD1219X39邹县四期(2X1000MWA672B71CL32支管：OD863.6X28主管：OD1219X40A672B71CL32支管：OD863.6X30绥中二期(2X1000MWA691Cr1-1/4Gr22支管：OD863.6X30主管：OD1016X31.75营口二期(2X600MWA691Cr.21/4CrCL22支管：OD711X22.23主管：OD1219X40A672B70CL32支管：OD863.6X30华润锦州(2X1000MW)A691Cr1-1/4CL22支管：OD762X32高压给水管道材料论述对于高压给水管道，由于受到烟气露点的限制，空气预热器出口的排烟温度很难做到低于120°C，因此尽管超超临界机组的蒸汽参数提高得较多，但给水温度仍维持在300°C左右，而目前建设的超超临界机组给水管道压力只是略高于600MW超临界机组，就目前国内外高压给水管道普遍采用的EN10216－2标准的15NiCuMoNb5-6-4无缝钢管来说，仍然适用，不涉及新材料的应用。15NiCuMoNb5-6-4材料就是过去常说的WB36，WB36是德国瓦卢瑞克•曼内斯曼钢管公司的牌号。WB36材料曾经被纳入英国标准BS3604，材料牌号为591等级钢。值得注意的是，在各国的标准中，不仅材料的牌号不同，材料的化学成分也有所差别，如在ASME标准中，其材料牌号为1.1.5Ni-0.65Cu-Mo-Cb，该材料磷的最高含量由0.025放宽到0.03，硫的最高含量由0.02放宽到0.025。由于化学成分的不同，会导致材料的各项强度指标有所变化。按现行标准确定高压给水设计压力为：从给水泵出口至关断阀的管道，设计压力取泵在额定转速特性曲线最高点对应的压力与进水侧压力之和；泵出口关断阀至锅炉省煤器进口区段，取用泵在额定转速及设计流量下泵提升压力的1.1倍与进水侧压力之和，为39/36MPa,设计温度为高压加热器后高压给水的最高工作温度，为300°C左右。根据EN10216-2标准，计算出高压给水管道的规格为。类似参数工程高压给水管道情况统计表工程名称材料外径X最小壁厚主管：OD610X65玉环（2X10