P92主蒸汽直管的選型及建議

徐傳海，薛家春

0 引言

目前，我國建設(shè)的600MW級與1000MW超超臨界機組的主蒸汽管材均為ASTM A335 P92。2006年，ASME鍋爐和壓力容器標(biāo)準(zhǔn)委員會發(fā)布了新的鍋爐和壓力容器規(guī)范案例Case 2179-6，與以前發(fā)布的案例Case 2179-3相比，此案例較大幅度地調(diào)低了高溫條件下P92管材的許用應(yīng)力，對超超臨界機組主蒸汽道的選型與布置產(chǎn)生較大的影響。在此，依托東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的660MW超超臨界汽輪機，探討P92主蒸汽直管選型及其相關(guān)問題，并提出建議。

1 汽輪機參數(shù)

東方汽輪機有限公司660MW超超臨界汽輪機的主汽門前額定壓力為25 MPa（a），主汽門前額定溫度為600℃，VWO工況的進(jìn)汽量為2060 t/h，鍋爐的主蒸汽設(shè)計參數(shù)為壓力26.25MPa（a）、溫度605℃。

2 許用應(yīng)力計算

最初，確定A335P92管道許用應(yīng)力的依據(jù)是ASME Code Case 2179-3。2005年9月，歐洲蠕變委員會(ECCC)公布了評估后的P92材料10萬h持久強度數(shù)據(jù)，據(jù)此推算在高溫下P92的許用應(yīng)力比ASME Code Case 2179-3低百分之十幾。之后，ASME鍋爐和壓力容器標(biāo)準(zhǔn)委員會修改Case 2179-3，于2006年8月4日發(fā)布Case 2179-6，后者溫度大于1000℉（537.8℃）時的A335 P92管材的許用應(yīng)力取值比前者小，且溫度越高兩者的差值越大。另外，這次修改將P92管道（Pipe）從管子（Tube）列調(diào)入鍛件（Forgings）與鍛制管道（Forged Pipe）之列，進(jìn)一步加大了P92管材高溫許用應(yīng)力的降幅。修改前后的A335 P92管材高溫許用應(yīng)力數(shù)據(jù)見表1。

表1 P92管材高溫許用應(yīng)力對比數(shù)據(jù)Tab.1 P92 tube HT allowable stress comparison

我國采用國際單位制，計算P92管道許用應(yīng)力時需要對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行單位換算。其中，華氏溫度換算成攝氏溫度時常因四舍五入或舍尾而產(chǎn)生誤差，然后插值計算許用應(yīng)力時又會產(chǎn)生誤差。為了消除或降低這些誤差的影響，在計算攝氏溫度對應(yīng)的P92管材許用應(yīng)力時，建議先將攝氏溫度換算成華氏溫度，用表1中的Case 2179-6列數(shù)據(jù)插值計算出單位為ksi的許用應(yīng)力值，再乘以6.894757得到單位為MPa的許用應(yīng)力值。由此計算所得的P92管道許用應(yīng)力（用舍尾法保留3位小數(shù)）見表2。

表2 P92管道在590～615℃范圍內(nèi)的許用應(yīng)力Tab.2 P92 tube allowable stress within 590～615 ℃

由表2可知，P92管道當(dāng)設(shè)計溫度為610℃時由Case 2179-6得到的許用應(yīng)力是68.671 MPa，比由Case 2179-3得到的許用應(yīng)力79.703 MPa低13.84%。

3 直管最小壁厚計算

超超臨界機組選用的P92進(jìn)口管道價格昂貴，并且價格不斷攀升，給用年費用法優(yōu)化確定主蒸汽管道的內(nèi)徑帶來困難，當(dāng)根據(jù)DL/T 5054—1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》控制主蒸汽管內(nèi)蒸汽流速在40～60 m/s范圍內(nèi)時，660MW超超臨界機組主蒸汽管道的主管最小內(nèi)徑可取425 mm，支管最小內(nèi)徑可取305 mm，其內(nèi)徑正偏差分別為3.175 mm、2.362 mm。計算直管最小壁厚時，應(yīng)考慮內(nèi)徑正偏差，主蒸汽主、支管與之相應(yīng)的內(nèi)徑分別為428.175 mm、307.362 mm。

2006年5月18日，中國電力工程顧問集團(tuán)公司明確在ASME Code Case 2179-3標(biāo)準(zhǔn)沒有更新及P92材料沒有列入歐洲標(biāo)準(zhǔn)的“過渡”時期，P92材料的許用應(yīng)力建議與業(yè)主協(xié)商按降低后的數(shù)值取用，同時為安全起見，規(guī)定超超臨界機組主蒸汽管道的設(shè)計壓力按鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量下過熱器出口的工作壓力加5%余量選取，設(shè)計溫度仍按《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》執(zhí)行，即設(shè)計溫度為鍋爐過熱器出口蒸汽額定工作溫度加上鍋爐正常運行時允許的溫度偏差值，溫度偏差可取5℃。這樣，660MW超超臨界機組主蒸汽管道的設(shè)計壓力由鍋爐過熱器出口蒸汽壓力26.25 MPa(a)升至27.563 MPa(a)，設(shè)計溫度由鍋爐過熱器出口蒸汽溫度605℃升至610℃。

660MW超超臨界機組主蒸汽管道的計算參數(shù)不同，計算所得的P92直管最小壁厚不同。由DL/T 5366—2006《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)程》的直管最小壁厚公式所得的不同參數(shù)下的P92直管最小壁厚見表3。

表3 660MW超超臨界機組P92主蒸汽直管最小計算壁厚Tab.3 P92 main steam pipe minimum calculated wall thickness for 600MW USC units

從表3可知，660MW超超臨界機組的主蒸汽管道選用P92時，計算溫度增加5℃時直管計算最小壁厚增量大于5%，計算壓力增加5%時直管計算最小壁厚增量也大于5%，不過前者的壁厚增量大于后者，且既增溫5℃又增壓5%的壁厚增量大于這兩者各自的增量之和；按當(dāng)前規(guī)定的方法計算660MW超超臨界機組的P92主蒸汽直管最小壁厚與按鍋爐過熱器出口蒸汽設(shè)計參數(shù)計算的最小壁厚相比，增厚13.037%，使最小內(nèi)徑為425 mm的主蒸汽主管計算最小壁厚增厚11.221 mm，使最小內(nèi)徑為305 mm的主蒸汽支管計算最小壁厚增厚8.055 mm。因此，按當(dāng)前規(guī)定的方法選用660MW超超臨界機組的主蒸汽管道，只要鍋爐過熱器出口蒸汽的實際運行參數(shù)不超過26.25 MPa（a）/605℃，主蒸汽管道的壁厚余量就不小于13.037%，安全余度相當(dāng)大。

現(xiàn)在設(shè)計的660MW超超臨界機組自控水平高，鍋爐過熱器出口蒸汽設(shè)定的超溫報警值不超過3℃，鍋爐過熱器出口蒸汽的超壓值也能控制在5%以下，因而主蒸汽既超溫5℃又超壓5%的持續(xù)時間將遠(yuǎn)小于機組持續(xù)運行時間。鑒于鍋爐過熱器出口蒸汽超溫5℃與超壓5%同時發(fā)生的時間較短，可依照ASME B31.1第102.2.4條規(guī)定，計算偶然短期超溫超壓運行階段產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，如果滿足下列條件應(yīng)被認(rèn)為是安全的：（1）在任一時期壓力和溫度波動時間不超過8 h，且每年不超過800 h，環(huán)向應(yīng)力不大于相應(yīng)溫度下許用應(yīng)力的1.15倍；（2）在任一時期壓力和溫度波動時間不超過1h，且每年不超過80h，環(huán)向應(yīng)力不大于相應(yīng)溫度下許用應(yīng)力的1.2倍。當(dāng)最小內(nèi)徑為305 mm的主蒸汽支管的最小壁厚取66.070 mm時，P92直管的許用應(yīng)力增加15%。這樣，P92管材的許用應(yīng)力由68.671 MPa增至78.971 MPa，對應(yīng)計算壓力為 30.172 MPa(a)，比 26.25 MPa(a)高 3.922 MPa，壓力余量達(dá)到14.94%，這也就意味著在滿足運行時間限制的條件下，主蒸汽超溫5℃時，超壓14.94%運行是安全的。而在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，將超溫、超壓運行時間控制在規(guī)定范圍內(nèi)是很容易實現(xiàn)的。因此，根據(jù)ASME Code Case 2179-6確定A335 P92管材許用應(yīng)力后，建議不用超溫5℃再增壓5%的工況來計算超超臨界機組P92主蒸汽直管的最小壁厚，即現(xiàn)階段仍然依照《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》確定超超臨界機組P92主蒸汽管道的設(shè)計壓力與設(shè)計溫度。

4 內(nèi)徑管的壁厚偏差計算

采用內(nèi)徑管的主蒸汽管道，壁厚負(fù)偏差為0，正偏差的大小與生產(chǎn)廠家及其生產(chǎn)工藝有關(guān)。美國公司生產(chǎn)的內(nèi)徑管不提供壁厚正偏差數(shù)據(jù)，可以用管子系數(shù)求得。就美國萬門高登公司生產(chǎn)的內(nèi)徑管而言，公稱壁厚等于最小壁厚除以管子系數(shù)。公稱壁厚大致地認(rèn)為是制造管道的壁厚范圍的中間值，因此內(nèi)徑管的壁厚正偏差（比值）大約是管子系數(shù)的倒數(shù)與1之差的2倍。

由SDGJ 6—90《火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)定》得知，壁厚92.039 mm的管子系數(shù)是0.950，壁厚66.070 mm的管子系數(shù)是0.940。因此，最小內(nèi)徑為425mm的內(nèi)徑管公稱壁厚等于96.833 mm，比最小壁厚92.039mm厚4.844mm，多5.263%，壁厚正偏差大約是10.526%，壁厚范圍是92.039～101.727mm；最小內(nèi)徑為305mm的內(nèi)徑管的公稱壁厚為70.287mm，比最小壁厚66.070 mm厚4.217 mm，多6.383%，壁厚正偏差大約為12.766%，壁厚范圍為66.070～74.504 mm。顯然，壁厚正偏差將使所采購的內(nèi)徑管的壁厚大于最小計算壁厚。

主蒸汽管道在工廠內(nèi)配管時，壁厚正偏差大的管段應(yīng)布置在溫度最高、壓力最大的鍋爐側(cè)，以使管道壁厚正偏差產(chǎn)生的壁厚余量得到合理利用。當(dāng)最小內(nèi)徑305 mm的內(nèi)徑管的壁厚等于公稱壁厚70.287 mm（壁厚正偏差為6.383%）時，計算溫度取610℃可得計算壓力為 27.717 MPa(a)，比 26.25 MPa(a)高5.589%。因此，建議主蒸汽管道在工廠內(nèi)配管時，將壁厚正偏差較大的管段布置在汽溫、汽壓高的鍋爐側(cè)，將壁厚正偏差較小的管段布置在汽溫、汽壓低的汽機側(cè)，以使完工后的主蒸汽管道具有更大的安全余度。

5 “C”值與直管訂貨最小壁厚

管道與管道或管件對焊時，為保證焊接質(zhì)量，要求焊口處的內(nèi)壁平齊，因而兩個對焊管道（或管件）的坡口需要將內(nèi)徑加工成同一尺寸“C”。美國A/E公司規(guī)定“C”值等于最小內(nèi)徑與總內(nèi)徑正公差之和，即“C”值等于最大內(nèi)徑。對于內(nèi)徑管，“C”值等于最小內(nèi)徑與內(nèi)徑正偏差之和。加工管道（或管件）的對焊坡口時，尺寸“C”使對焊坡口的內(nèi)徑擴大并可能產(chǎn)生加工過偏差，該偏差一般取0.254 mm（0.01 inch）。對于極限情況——內(nèi)徑偏差為0的內(nèi)徑管加工尺寸“C”時，坡口處管道壁厚的減薄量等于內(nèi)徑正偏差與0.254 mm之和的一半，而內(nèi)徑管的訂貨壁厚在扣除坡口加工尺寸“C”的減薄量后不得小于最小壁厚。因此，直管訂貨最小壁厚用式（1）計算：

式中：ta為直管訂貨最小壁厚，mm；tm為直管最小壁厚，mm；td為內(nèi)徑正偏差，mm。

對于660MW超超臨界機組的P92主蒸汽管道，最小內(nèi)徑為425 mm的主管訂貨最小壁厚為93.754 mm（直管最小壁厚為92.039 mm，內(nèi)徑正偏差為3.175 mm），最小內(nèi)徑為305 mm的支管訂貨最小壁厚為67.378 mm（直管最小壁厚為66.070 mm，內(nèi)徑正偏差為2.362 mm）。

由此得知，660MW超超臨界機組主蒸汽管道可選用的P92直管訂貨規(guī)格為：主管最小內(nèi)徑425 mm，最小壁厚93.8 mm；支管最小內(nèi)徑305 mm，最小壁厚67.4 mm。

“C”值是不同供貨商所供管道或管件的對焊坡口的內(nèi)徑加工尺寸，據(jù)此加工對焊坡口內(nèi)徑時，管道內(nèi)壁車加工掉的厚度有時比較大。對于已有的管道或管件，應(yīng)盡力避免用“C”值加工對焊坡口。就主蒸汽管道在廠內(nèi)配管而言，應(yīng)盡力選配2根內(nèi)徑相近的內(nèi)徑管對焊，這樣在保證焊口處內(nèi)壁平齊的情況下，能減少坡口加工時的壁厚減薄量。例如，2根到貨內(nèi)徑為305 mm、壁厚均為67.4 mm的P92內(nèi)徑管對焊時，坡口內(nèi)壁可以不車削，壁厚不減薄能使610℃對應(yīng)的計算壓力升至26.896 MPa(a)，與26.25 MPa(a)相比，增加壓力余量2.64%。

6 結(jié)論

（1）按當(dāng)前的規(guī)定設(shè)計超超臨界機組主蒸汽管道，P92內(nèi)徑管具有較大的壁厚余量。借ASME Code Case 2179-6降低P92管材許用應(yīng)力之機，超超臨界機組主蒸汽管道宜用DL/T 5054—1996《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》來確定設(shè)計參數(shù)，即確定設(shè)計壓力時不考慮5%的壓力余量。主蒸汽管道在工廠內(nèi)配管時，應(yīng)將壁厚正偏差較大的管段布置在汽溫、汽壓高的鍋爐側(cè)，對焊口兩側(cè)內(nèi)徑管的內(nèi)徑應(yīng)盡力相近，以使完工后的主蒸汽管道具有盡可能大的安全余度。

（2）超超臨界機組主蒸汽管道因設(shè)計溫度余量、設(shè)計壓力余量、訂貨內(nèi)徑管的內(nèi)徑偏差及壁厚偏差的累加作用而使實際運行時主蒸汽P92內(nèi)徑管具有較大的壁厚余量。由于P92內(nèi)徑管的進(jìn)口價格昂貴，應(yīng)適當(dāng)減少P92內(nèi)徑管的壁厚余量，以降低超超臨界機組主蒸汽管道的造價。為此，建議對我國已投運的超（超）臨界機組主蒸汽實際運行情況與P92內(nèi)徑管的進(jìn)口情況進(jìn)行調(diào)研，搜集整理超（超）臨界機組主蒸汽運行參數(shù)及進(jìn)口P92內(nèi)徑管的內(nèi)徑偏差與壁厚偏差，確定這些數(shù)據(jù)的分布范圍，分析主蒸汽管道設(shè)計余量范圍，為減少P92內(nèi)徑管的壁厚余量及下一次修訂超超臨界機組主蒸汽管設(shè)計溫度與設(shè)計壓力的規(guī)定提供支持?jǐn)?shù)據(jù)。

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