1000MW超超臨界機組四大管道材料選擇論述(精)

1000MW超超臨界機組四大管道材料選擇論述程永霞陶偉靜（東北電力設(shè)計院熱機室吉林省吉林市132012）摘要：本論文通過綜合分析國內(nèi)外高溫高壓合金鋼技術(shù)特性及電力行業(yè)應(yīng)用情況，對1000MW超超臨界機組四大管道材質(zhì)及規(guī)格進行了詳細計算及選取，對四大管道的材料和規(guī)格提出了具體要求和詳細的論述。關(guān)鍵詞：超超臨界；咼溫蠕變；抗氧化性能；電熔焊接鋼管；A335P91/P92材料主蒸汽管道材料論述超超臨界機組電廠的設(shè)計關(guān)鍵之一是選擇合適的鋼材，不論是汽機本體、鍋爐水冷壁、過熱器、再熱器，還是四大管道，均應(yīng)選擇合適的鋼材，合適的鋼材一般考慮以下因素：要求具有咼的咼溫熱強度、耐咼溫腐蝕、耐汽側(cè)氧化、有良好的焊接及加工性能，經(jīng)濟上比較合理。目前，國際上對于600°C以上的高溫管道，沒有非常成熟的材料，各國對600C以上的高溫管道材料均處于開發(fā)、研制和試驗階段。根據(jù)各國的應(yīng)用經(jīng)驗，適用于600C以上的高溫管道材料主要有ASTMA335P92、ASTMA335P122和E911等三種，三種材料的高溫蠕變斷裂強度試驗均未做到100000小時，均是根據(jù)一定時間的試驗數(shù)據(jù)外推得出的。三種材料均沒有納入正式標準，如ASME標準，只列入ASMECodeCase（案例）中，ASMECodeCase中的內(nèi)容是ASME委員會根據(jù)一定的試驗數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗批準使用的，在一般情況下只能參照使用。而對于主蒸汽管道，P91材料已應(yīng)用到最高極限溫度，管道熱強度較低，經(jīng)計算會使管壁較厚，管道剛度大，管道熱應(yīng)力計算不好過關(guān)，對設(shè)備推力較大，且影響機組變負荷速率，故不宜選用。在新型的P92、P122和E911三種鋼材中，從國外的使用業(yè)績看，歐洲的超臨界機組，較早采用了P92和E911，而日本機組雖然溫度普遍高于歐洲機組，但其壓力略低于歐洲機組，多采用P92和P122。國內(nèi)用得較多的是P92，如華能玉環(huán)電廠和華能營口電廠二期等，主要原因是P92的焊接可利用P91的焊接經(jīng)驗，而P91的焊接經(jīng)驗國內(nèi)已經(jīng)掌握。P92、P122和E911三種耐高溫材料的高溫蠕變強度，必須滿足由于管道熱膨脹而引起的熱應(yīng)力要求，一般說來，適合于高溫管道的材料，在其工作溫度下的105h蠕變強度值，應(yīng)能達到90?100MPa，同時要求管道材料的熱脹系數(shù)比較小，且導(dǎo)熱系數(shù)較大，從而能降低管道內(nèi)外壁的應(yīng)力差。對于P92和P122鋼材，由于目前的試驗未達到105h，ASME規(guī)范中現(xiàn)在的數(shù)據(jù)是日本新日鐵和住友公司根據(jù)短時間蠕變斷裂數(shù)據(jù)外推出來的，分別為132MPa和128MPa，E911/600°C105h的高溫蠕變強度為115MPa。根據(jù)105h的蠕變強度值，可計算出管壁厚度并推算出三種鋼材單位長度的重量比為：E911：P92：P122=100：66：72從高溫熱強度來看，P92和P122有較大的優(yōu)勢，其管壁可以相對較薄，既可節(jié)省初投資，又可解決管壁過厚的焊接問題及管道設(shè)計問題。目前主蒸汽管道可選用的鋼材均為Cr鐵素體耐熱鋼，供貨狀態(tài)為回火，在高溫運行中，其組織結(jié)構(gòu)變化主要包括：位錯密度降低，固溶W析出形成Laves相等等。前者降低高溫強度，固溶W減少也會降低強度，三種鋼材中P122因含有1%的Cu會促使Laves相的析出和長大，在長期運行中穩(wěn)定性最差，E911和P92接近，運行105h后P122沖擊韌性降低明顯，P92和E911也明顯降低。從焊接方面比較，P92、P122和E911三種鋼材均為新材料，降低焊縫的脆性是一個重要的技術(shù)問題，需要從焊材和工藝方面進行解決，W的含量有一定影響。P92和P122比E911需要更長的焊后熱處理時間，來保證焊縫韌性。焊縫裂紋的敏感性，P92與E911接近，但作為12Cr鋼的P122在焊接上會有更大的難度。焊縫的強度在短時間內(nèi)與母材相當，但在長時間的運行中，在熱影響區(qū)存在IV型裂紋傾向，強度降低30%，所以，在工程進行的同時，應(yīng)對焊接接頭的長期性能進行研究，并提出相應(yīng)的監(jiān)督和措施和手段，保證焊接接頭的安全。對于超超臨界機組的主蒸汽管道，抗氧化性能也是一個關(guān)鍵問題，P92、P122和E911三種耐熱鋼材的抗蒸汽氧化性能，主要取決于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量為12%，抗氧化能力較P92和E911稍強。由于超超臨界機組蒸汽溫度提高，蒸汽側(cè)氧化和氧化層剝落問題，比亞臨界機組和普通超臨界機組嚴重，國外超超臨界機組中有因為嚴重的蒸汽氧化問題被迫降參數(shù)運行的情況，問題主要在過熱器和再熱器，對于600°C以下運行的主蒸汽管道，由于金屬壁溫的波動不頻繁，氧化層剝落的可能性較小，運行一段時間后，氧化速率逐漸下降達到平衡，所以9%Cr鋼可以滿足抗蒸汽氧化的性能要求。根據(jù)上述對三種耐熱鋼在高溫熱強度方面、焊接性能方面以及抗氧化性能方面的綜合比較，錦州工程仍優(yōu)先選用P92作為主蒸汽材料。對于ASTMA335P92材料，按常規(guī)采用的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)應(yīng)為ASMECodeCase2179-3中的數(shù)據(jù)，即610°C時為79.4MPa，但歐洲蠕變委員會（ECCC）2005年9月公布了經(jīng)過評估的P92材料100000小時的持久強度數(shù)據(jù)，據(jù)此推出P92材料的許用應(yīng)力，610C時為66.6MPa，該值在ASMECoadCase2179-3標準中又沒有更新，而P92材料又沒有列入歐洲標準的“非?！睍r期，為安全可靠起見，管道規(guī)格按照許用應(yīng)力為610C時66.6MPa選用。類似參數(shù)工程主蒸汽管道情況統(tǒng)計表工程名稱材料最小內(nèi)徑X最小壁厚主管：ID349X72玉環(huán)（2X1000MW）P92支管：ID248X53主管：ID381X78鄒縣四期（2X1000MWP92支管：ID254X53.4主管：ID368X91綏中二期（2X1000MWP92支管：ID260X66主管：ID406X98華能營口二期（2X600MW）P92支管：ID292X71主管：ID368X91華潤錦州（2X1000MWP92支管：ID260X66再熱熱段蒸汽管道材料論述再熱熱段蒸汽管道的溫度與主蒸汽管道的溫度相當，選擇的管道材料也要耐同樣的高溫，所以，P92、P122和E911仍然是所選之列，考慮到超超臨界機組采用P91鋼有一定的業(yè)績，而再熱熱段蒸汽管道壓力不高，如果采用P91，管道的壁厚也不會太厚，不會出現(xiàn)高強度材料薄壁管道的加工和焊接難題，所以保留P91材料作為再熱熱段蒸汽管道的材料，也是一個選擇。同樣考慮P122的焊接技術(shù)難點和E911的價格問題，國內(nèi)同類型機組基本上只在P92和P91兩種材料中比較、選擇。1000MW（或600MW）超超臨界機組就P91和P92兩種材料進行比較后進行優(yōu)選，下面是一些知名專家關(guān)于P91材料的論述。西安熱工研究院的周榮燦、范長信的論文《超超臨界火電廠材料研究綜述及選材分析》中有如下論述：“P91在國內(nèi)已經(jīng)有10余年的使用經(jīng)驗，在日本P91鋼最高使用溫度超過了600°C，但在歐洲，根據(jù)歐洲蠕變合作委員會（ECCC）的建議，P91的設(shè)計許用應(yīng)力比美國和日本低10%，認為P91只能用于25MPa/593C或30MPa/580C以下的蒸汽參數(shù)。建議在我國的機組中使用溫度不超過580C。”蘇州熱工研究院的趙彥芬、張路以及西安熱工研究院的劉江南、王正品、耿波、石崇哲聯(lián)合撰寫的論文《T91鋼再熱器管高溫蒸汽氧化機理的研究》中得出如下結(jié)論：“T91/P91鋼在600°C左右時的氧化腐蝕非常嚴重”。宣讀論文時強調(diào)：在日本，P91鋼早期最高使用溫度為650C，后來降至625C，現(xiàn)在600C以上的蒸汽管道采用P122材料。建議T91/P91鋼的最高使用溫度為593C?！比A北電力大學的段麗、徐鴻撰寫的《超臨界機組高溫高壓管彎頭蠕變效應(yīng)分析》中，從材料蠕變的角度有如下論述：“除小口徑管T91在電站鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器得到廣泛地使用外，大口徑管P91管也在電站鍋爐中得到應(yīng)用，主要用于制造金屬壁溫不超過600C的高溫過熱器集箱、高溫再熱器集箱以及高溫再熱蒸汽管道、主蒸汽管道等。”根據(jù)國內(nèi)有關(guān)專家論著中的信息，根據(jù)鍋爐出口參數(shù)，按現(xiàn)行標準確定再熱熱段蒸汽管道設(shè)計壓力為再熱器出口安全閥動作的最低整定壓力，一般為4.7?4.97MPa,設(shè)計溫度為鍋爐再熱器出口額定溫度加3°C的溫度偏差，即608°C，如采用P91管材有一定風險。因而確定P92作為再熱熱段的另一種管道材料需要說明的是，與主蒸汽管道相同，對于P92材料，按常規(guī)采用的許用應(yīng)力數(shù)據(jù)為ASMECodeCase2179-3中的數(shù)據(jù)，即608C時為81.1MPa，但歐洲蠕變委員會（ECCC）2005年9月公布了經(jīng)過評估的P92材料100000小時的持久強度數(shù)據(jù)，據(jù)此推出P92材料的許用應(yīng)力，608C時為68.4MPa,該值在ASMECoadCase2179-3標準中同樣沒有更新，而P92材料沒有列入歐洲標準的“非?！睍r期，同樣為安全可靠起見，管道規(guī)格按照許用應(yīng)力為608C時68.4MPa選用。類似參數(shù)工程再熱熱段蒸汽管道情況統(tǒng)計表工程名稱材料最小內(nèi)徑X最小壁厚主管：ID699X50玉環(huán)（2X1000MWP91支管：ID502X38主管：ID749.3X44.45鄒縣四期（2X1000MWP91支管：ID520.7X32主管：ID749X38綏中二期（2X1000MWP92支管：ID527X28主管：ID883X41華能營口二期（2X600MW）P92支管：ID616X29主管：ID749X38華潤錦州（2X1000MWP92支管：ID527X28再熱冷段蒸汽管道材料論述對于再熱冷段蒸汽管道，雖然超超臨界主蒸汽壓力提高，但受到低壓缸排汽濕度的限制，高壓缸的排汽壓力變化不大，因此，其正常工作最高排汽溫度也不會超過400°C。如果機組沒有特殊要求，再熱冷段蒸汽管道可采用最高允許使用溫度為427°C的A672B70CL32電熔焊接鋼管。對歐洲技術(shù)流派的鍋爐，由于其設(shè)置的100%旁路代替鍋爐的安全門功能在此情況下噴水減溫失靈，為確保鍋爐安全，高壓旁路閥也必須要求開啟，再熱冷段管道必須全部選用低合金材料，如A691Cr1-1/4CL22電熔焊接鋼管。對于美國技術(shù)流派的鍋爐，可以用A672B70CL32電熔焊接鋼管，但考慮汽輪機高壓缸排汽在某些狀況會出現(xiàn)溫度超過500°C的時候，所以在高壓缸排汽止回閥之前管道材料選用低合金A691Cr1-1/4CL22電熔焊接鋼管。可見超超臨界1000MW機組的再熱冷段蒸汽管道材料與600MW普通超臨界、亞臨界機組一樣，不涉及新材料的應(yīng)用。1000MW機組根據(jù)汽輪機高壓缸排汽出口參數(shù)，按現(xiàn)行標準確定再熱冷段蒸汽設(shè)計壓力為汽輪機最大計算出力工況下高壓缸排汽壓力的1.15倍，為6MPa左右，設(shè)計溫度為汽輪機最大計算出力工況下高壓缸排汽參數(shù)，等熵求取在管道設(shè)計壓力下的相應(yīng)溫度，為365°C左右。最終根據(jù)主機招標情況確定A672B70CL32或A691Cr1-1/4CL22作為再熱冷段的管道材料。類似參數(shù)工程再熱冷段蒸汽管道情況統(tǒng)計表工程名稱材料最小內(nèi)徑X最小壁厚主管：OD1067X38.1玉環(huán)(2X1000MWA691Cr1-1/4Gr22支管：OD762X28.58主管：OD1219X39鄒縣四期(2X1000MWA672B71CL32支管：OD863.6X28主管：OD1219X40A672B71CL32支管：OD863.6X30綏中二期(2X1000MWA691Cr1-1/4Gr22支管：OD863.6X30主管：OD1016X31.75營口二期(2X600MWA691Cr.21/4CrCL22支管：OD711X22.23主管：OD1219X40A672B70CL32支管：OD863.6X30華潤錦州(2X1000MW)A691Cr1-1/4CL22支管：OD762X32高壓給水管道材料論述對于高壓給水管道，由于受到煙氣露點的限制，空氣預(yù)熱器出口的排煙溫度很難做到低于120°C，因此盡管超超臨界機組的蒸汽參數(shù)提高得較多，但給水溫度仍維持在300°C左右，而目前建設(shè)的超超臨界機組給水管道壓力只是略高于600MW超臨界機組，就目前國內(nèi)外高壓給水管道普遍采用的EN10216－2標準的15NiCuMoNb5-6-4無縫鋼管來說，仍然適用，不涉及新材料的應(yīng)用。15NiCuMoNb5-6-4材料就是過去常說的WB36，WB36是德國瓦盧瑞克?曼內(nèi)斯曼鋼管公司的牌號。WB36材料曾經(jīng)被納入英國標準BS3604，材料牌號為591等級鋼。值得注意的是，在各國的標準中，不僅材料的牌號不同，材料的化學成分也有所差別，如在ASME標準中，其材料牌號為1.1.5Ni-0.65Cu-Mo-Cb，該材料磷的最高含量由0.025放寬到0.03，硫的最高含量由0.02放寬到0.025。由于化學成分的不同，會導(dǎo)致材料的各項強度指標有所變化。按現(xiàn)行標準確定高壓給水設(shè)計壓力為：從給水泵出口至關(guān)斷閥的管道，設(shè)計壓力取泵在額定轉(zhuǎn)速特性曲線最高點對應(yīng)的壓力與進水側(cè)壓力之和；泵出口關(guān)斷閥至鍋爐省煤器進口區(qū)段，取用泵在額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計流量下泵提升壓力的1.1倍與進水側(cè)壓力之和，為39/36MPa,設(shè)計溫度為高壓加熱器后高壓給水的最高工作溫度，為300°C左右。根據(jù)EN10216-2標準，計算出高壓給水管道的規(guī)格為。類似參數(shù)工程高壓給水管道情況統(tǒng)計表工程名稱材料外徑X最小壁厚主管：OD610X65玉環(huán)（2X10