超超臨界火電機(jī)組高溫再熱蒸汽管道選材分析

桑 波

中國(guó)水利電力物資有限公司

據(jù)報(bào)道，截至2011年12月，我國(guó)整體裝機(jī)容量達(dá)到10.5億千瓦，其中煤電占比高達(dá)72%，與世界范圍內(nèi)電力結(jié)構(gòu)中煤電占比40.5%相比，高出近一倍。在全球日益關(guān)注溫室氣體排放、重視節(jié)能降耗且煤炭資源日趨緊張的大背景下，發(fā)展大容量超超臨界機(jī)組將是我國(guó)電力領(lǐng)域提高火力發(fā)電效率、節(jié)約一次能源、改善生態(tài)環(huán)境、降低發(fā)電成本的必然趨勢(shì)。未來(lái)必將通過(guò)上大壓小、改（擴(kuò)）建等方式，使更多大容量火力發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行，取代原有的低效率、高污染的小機(jī)組。超超臨界機(jī)組相對(duì)超臨界機(jī)組蒸汽溫度和壓力參數(shù)的提高對(duì)關(guān)鍵部件材料提出了更高、更苛刻的要求，僅針對(duì)四汽管道系統(tǒng)而言，管道材料的選擇將對(duì)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性產(chǎn)生重要的影響。

1 超超臨界機(jī)組的定義及優(yōu)勢(shì)

火電廠超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組指的是鍋爐內(nèi)工質(zhì)的壓力。鍋爐內(nèi)的工質(zhì)都是水，水的臨界壓力是：22.115MPa/374℃；在這個(gè)壓力和溫度時(shí)，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的臨界點(diǎn)，爐內(nèi)工質(zhì)壓力低于這個(gè)壓力就叫亞臨界鍋爐，大于這個(gè)壓力就是超臨界鍋爐。

目前常規(guī)的超臨界機(jī)組蒸汽參數(shù)一般為24.2MPa/538℃/566℃或24.2MPa/566℃/566℃。超超臨界機(jī)組是相對(duì)于常規(guī)超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)而言的。通常把蒸汽壓力高于27MPa的超臨界機(jī)組稱(chēng)為超超臨界機(jī)組。超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)是一種更先進(jìn)、更高效的發(fā)電技術(shù)，它比超臨界機(jī)組的熱效率高出約4%，與常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組相比優(yōu)勢(shì)就更加明顯。超超臨界機(jī)組也稱(chēng)為高效超臨界機(jī)組。

2 高溫蒸汽管道的工作要求

與常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組相比，超超臨界機(jī)組的主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道的材料，需面臨更高壓力和更高溫度的考驗(yàn)，還要承受周期性變化的載荷和熱應(yīng)力，即低循環(huán)疲勞載荷的作用。這種工作環(huán)境要求管道材料應(yīng)具有足夠高的蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和持久塑性，同時(shí)，還要求管道材料的熱膨脹系數(shù)比較小且導(dǎo)熱率較大，從而能夠降低管道內(nèi)的熱應(yīng)力。

高溫蒸汽管道通常以10萬(wàn)小時(shí)或20萬(wàn)小時(shí)的高溫持久強(qiáng)度作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，再用蠕變極限進(jìn)行校核。持久強(qiáng)度反映材料抗持久破壞的能力，蠕變極限反映材料抗長(zhǎng)期變形的能力。材料的熱強(qiáng)性能高，不僅可提高聯(lián)箱和管道運(yùn)行安全性，而且可減少因管壁過(guò)厚給加工工藝帶來(lái)的困難。一般來(lái)說(shuō)，適合于高溫蒸汽管道的材料，其在工作環(huán)境下的10萬(wàn)小時(shí)蠕變應(yīng)力值應(yīng)達(dá)到90MPa～100MPa。

3 高溫蒸汽管道主要材料

鐵素體耐熱鋼適用于高溫蒸汽管道，此類(lèi)材料低的熱膨脹系數(shù)和高的熱導(dǎo)率允許較高的啟停速率而不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的熱疲勞損傷。鐵素體耐熱鋼主要有P91鋼、P92鋼、P122鋼和E911鋼。

P91鋼屬改良型9Cr-1Mo高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼，具有熱強(qiáng)性好、強(qiáng)韌性高、淬透性好、可焊性良、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，抗腐蝕性和價(jià)格均居于P22鋼和TP304H不銹鋼之間。優(yōu)良的綜合性能使P91鋼成為世界上眾多高蒸汽參數(shù)發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道及再熱熱段管道的主選材料之一。1983年被納入ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范（SA335），1995年以“10Cr9Mo1VNb”牌號(hào)正式列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5310-1995。

P 9 2鋼是在P 9 1鋼的基礎(chǔ)上加入1.5%～2%的W，降低了Mo含量，從而大大增強(qiáng)了固溶強(qiáng)化的效果，使用溫度則可達(dá)到620℃，具有更高的高溫強(qiáng)度和蠕變性能，由此在設(shè)計(jì)中可以采用更薄的壁厚從而減輕鍋爐和管道部件的重量。P92鋼抗腐蝕性和抗氧化性能于其他含9%Cr的鐵素體鋼相當(dāng)，熱傳導(dǎo)和熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于奧氏體不銹鋼，抗熱疲勞性也強(qiáng)于奧氏體不銹鋼。1995年被列入ASTM A335標(biāo)準(zhǔn)，1996年被列入ASME SA335標(biāo)準(zhǔn)。

P122鋼是在德國(guó)牌號(hào)X20CrMoV121的基礎(chǔ)上改進(jìn)的12Cr鋼，添加了2%W、0.07%Nb和1%Cu，固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的效果都有很大增加，具有更高的熱強(qiáng)性和耐腐蝕性。同時(shí)尤其是由于含炭量的減少，使得焊接冷裂敏感性也有所改善。

E911鋼是在P91鋼之后由歐洲多國(guó)研究機(jī)構(gòu)研究設(shè)計(jì)的，其化學(xué)成分與P92鋼相似，機(jī)械性能也基本相近。德國(guó)曼內(nèi)斯曼公司的持久試驗(yàn)已做到9萬(wàn)小時(shí)，在600℃下外推10萬(wàn)小時(shí)的持久強(qiáng)度為118MPa，遠(yuǎn)優(yōu)于P91鋼的90Mpa。E911鋼高溫蠕變斷裂強(qiáng)度超過(guò)TP300系的奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的斷裂韌性、抗熱腐蝕性、可加工性、可焊性，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

目前，將P92鋼作為超超臨界火電機(jī)組主蒸汽管道材料的首選已得到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的一致認(rèn)可，但高溫再熱蒸汽管道材料的選擇問(wèn)題卻沒(méi)有定論。

表1 P91和P92鋼的高溫再熱蒸汽管道的管徑和壁厚對(duì)比

4 P91鋼和P92鋼對(duì)比

從國(guó)外超超臨界火電機(jī)組高溫再熱蒸汽管道的使用及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，P122鋼使用業(yè)績(jī)相對(duì)較多，技術(shù)上相對(duì)安全，但在國(guó)內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)較少，因此在現(xiàn)場(chǎng)焊接上較難把握。E911鋼目前價(jià)格較高，考慮到商務(wù)因素，對(duì)稍晚一些的工程才會(huì)顯現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)力，可繼續(xù)保留作為一個(gè)選擇。基于上述因素，P91鋼和P92鋼目前仍為國(guó)內(nèi)超超臨界火電機(jī)組再熱熱段蒸汽管道使用最多的材料。根據(jù)國(guó)內(nèi)超（超）臨界火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，對(duì)采用P91鋼和P92鋼的高溫再熱蒸汽管道的管徑和壁厚進(jìn)行了一個(gè)對(duì)比計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

5 結(jié)語(yǔ)

P91鋼的性能和特點(diǎn)已被大家所熟悉，其焊接工藝也已被我國(guó)電力設(shè)備供應(yīng)商和施工單位廣泛掌握，并建立了一套完整的工藝控制方法和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在超（超）臨界火電機(jī)組主蒸汽及再熱熱段蒸汽管道得到廣泛的應(yīng)用。從價(jià)格因素考慮，P91鋼單重價(jià)格比P92鋼便宜10%～30%。但隨著火電機(jī)組蒸汽壓力及溫度的逐漸升高，P92鋼更為優(yōu)良的高溫性能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。P122鋼和E911鋼兩種材料目前在國(guó)內(nèi)使用業(yè)績(jī)較少，但今后定會(huì)顯現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)力。

綜合以上多方面因素，建議目前設(shè)計(jì)進(jìn)行中的超超臨界火電機(jī)組高溫再熱蒸汽管道按P92、P91、P122、E911的順序進(jìn)行選擇。

[1]武春霖.國(guó)產(chǎn)化1000MW級(jí)超超臨界機(jī)組高溫蒸汽管道選材建議.發(fā)電設(shè)備，2005，No.2，104-107

[2]武秀峰.超超臨界火電機(jī)組四大管道選材分析.電力科學(xué)與工程，2008，24(10)，73-78

[3]張振，張彥麗.超超臨界機(jī)組主蒸汽管道選材比較.中國(guó)科技信息，2009，19，157-158