P92和G115在630℃超超臨界電站機(jī)組管材選用分析

趙洪偉，劉 利

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

0 引言

基于“30·60”的雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，我國(guó)煤電機(jī)組的發(fā)展將面臨重大轉(zhuǎn)型。但由于我國(guó)多煤、缺油、少氣的能源特點(diǎn)，煤炭仍是我國(guó)能源消費(fèi)的主力，而提高蒸汽初參數(shù)是燃煤機(jī)組節(jié)能減排的有效方法之一。

機(jī)組參數(shù)的提高離不開(kāi)材料的發(fā)展，本文介紹了目前超超臨界機(jī)組中廣泛使用的P92(X10CrWMo VNb9-2)和擬在630℃機(jī)組中采用的國(guó)產(chǎn)G115(08Cr 9W3Co3VNbCuBN)管材[1]，對(duì)進(jìn)汽參數(shù)為35 MPa/ 615 ℃/630 ℃/630 ℃機(jī)組的主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道管材選擇進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出630 ℃電站機(jī)組主蒸汽和高溫再熱蒸汽管材選擇建議。

1 國(guó)內(nèi)630 ℃電站機(jī)組主機(jī)研發(fā)情況

從2016年開(kāi)始，結(jié)合630 ℃示范電站項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)各大鍋爐、汽機(jī)及高溫高壓管材制造廠均進(jìn)行了630 ℃高溫材料的研發(fā)和材料性能試驗(yàn)，以及管道材料的焊接、抗氧化性等性能的工藝評(píng)定工作。

各大汽機(jī)廠已完成汽輪機(jī)630 ℃高溫轉(zhuǎn)子鍛件、汽缸和閥殼鑄件及高溫葉片等主要高溫部件選材、研發(fā)和設(shè)計(jì)，同時(shí)完成了相關(guān)材料的焊接、抗氧化性等性能的工藝評(píng)定和產(chǎn)品的驗(yàn)證評(píng)審。各大鍋爐廠對(duì)630 ℃機(jī)組的鍋爐高溫受熱面材料的選擇為：鍋爐過(guò)熱器和再熱器高溫段受熱面采用奧氏體不銹鋼Sanicro25材料[2]；高過(guò)出口集箱和高再出口集箱及管道采用馬氏體耐熱鋼G115。Sanicro25材料已有在投產(chǎn)的項(xiàng)目成功應(yīng)用的范例。G115為國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)管道材料，目前已進(jìn)入商業(yè)設(shè)計(jì)制造階段。

國(guó)內(nèi)630 ℃電站機(jī)組主機(jī)已經(jīng)完成相關(guān)設(shè)計(jì)研發(fā)和技術(shù)評(píng)定，具備工程應(yīng)用條件。

2 630 ℃電站機(jī)組高溫高壓管道材料

主蒸汽和再熱熱段管材的選用，主要考慮高溫?zé)釓?qiáng)度、耐高溫腐蝕性和良好的加工、焊接性能，并且經(jīng)濟(jì)合理。對(duì)于630 ℃電站機(jī)組高溫高壓管道材料，主要考慮在P92和G115兩種材料中進(jìn)行比選。

2.1 P92材料的特點(diǎn)及應(yīng)用

P92是9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼的一種，是在P91鋼的基礎(chǔ)上添加1.8%的W元素，適當(dāng)減少M(fèi)o元素的含量，采用加W減Mo的W-Mo復(fù)合固溶強(qiáng)化方法開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種高溫耐熱鋼，其Cr合金含量與P91相同，在9%左右，抗氧化性能與P91也基本相同。與P91相比，抗蒸汽腐蝕性能相當(dāng)，持久強(qiáng)度大幅提高。因此P92在600～620 ℃的高效超超臨界機(jī)組中廣泛應(yīng)用。隨著溫度的提高，P92材料持久強(qiáng)度逐漸降低，過(guò)去幾十年，美國(guó)ASME、歐盟ECCC及EN和日本METI等機(jī)構(gòu)先后在不斷積累和完善試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)P92材料的許用應(yīng)力進(jìn)行了下調(diào)，P92材料許用應(yīng)力變化見(jiàn)表1所列。

表1 P92材料許用應(yīng)力變化表

目前我國(guó)的GB 50764—2012《電廠動(dòng)力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5366—2014《發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》[2]和DL/T 5054—2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范，對(duì)P92的許用應(yīng)力的取值均按照EN10216-2標(biāo)準(zhǔn)取值，且材料的牌號(hào)按EN10216-2標(biāo)準(zhǔn)的牌號(hào)，即X10CrWMoVNb9-2。

P92在630～650 ℃溫度條件下，由于高溫持久強(qiáng)度下降較多，已不再適用高于630 ℃的蒸汽管道。因此：①《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》(TSG11—2020)”規(guī)定，P92作為管道和聯(lián)箱，允許使用溫度的上限為630 ℃；②《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，P92管材的推薦使用溫度，不高于621 ℃；③在ASME CASE 2179-3—2179-7中規(guī)定，外徑大于3.5 in(89 mm)的P92管材允許使用溫度的上限為621 ℃。

目前國(guó)內(nèi)已成功投產(chǎn)運(yùn)行的1 000 MW高效超超臨界機(jī)組，其主蒸汽或高溫再熱蒸汽管道采用P92材料的，汽輪機(jī)入口蒸汽溫度最高工作溫度為620 ℃，對(duì)應(yīng)管道設(shè)計(jì)溫度為628 ℃。

理論上，當(dāng)管道設(shè)計(jì)溫度不低于630 ℃時(shí)，不再允許使用P92材料。

2.2 G115材料的特點(diǎn)及應(yīng)用

G115是由我國(guó)研制的一種馬氏體耐熱鋼。2014年11月，G115鋼獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)“蒸汽溫度超超臨界火電機(jī)組用鋼及制備方法”[3]。

G115原型鋼的研發(fā)采用了電站耐熱材料的“選擇性強(qiáng)韌化”設(shè)計(jì)觀點(diǎn)[4]，融合了“多元素復(fù)合強(qiáng)化”理論和“熱強(qiáng)鋼晶界工程學(xué)原理”的窄范圍成分匹配與精確控制技術(shù)，結(jié)合了MarBN鋼的研究基礎(chǔ)，通過(guò)添加沉淀析出型元素Cu提高強(qiáng)度，充分發(fā)揮B冶金強(qiáng)化作用，提高高溫下晶界的強(qiáng)度和韌性，控制Ni、Al、B和N元素之間的配比，將鐵素體耐熱鋼的使用溫度推進(jìn)到了650 ℃。G115材料化學(xué)成分見(jiàn)表2所列。

表2 G115材料化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

G115持久強(qiáng)度高，如圖1所示是P92、Sanicro25和G115高溫許用應(yīng)力的比較(縱坐標(biāo)是許用應(yīng)力)，G115在630 ℃下的持久強(qiáng)度約為P92的1.6倍。

圖1 P92、Sanicro25和G115高溫許用應(yīng)力比較

G115抗蒸汽腐蝕性能也優(yōu)于P92。如圖2所示是P92、T122和G115抗氧化能力的比較(縱坐標(biāo)是示意氧化顆粒的增加量)，G115的含鉻量與P92基本相同(9%)，從圖2可以看出，600 ℃以上G115的抗氧化能力接近含鉻為12%的T122材料。

圖2 P92、T122和G115抗氧化能力比較

G115在630～650 ℃溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的高溫持久性能，其抗氧化性強(qiáng)，為火電機(jī)組溫度提高至630 ℃奠定了材料基礎(chǔ)。

2.3 G115管道的研制應(yīng)用情況

2012年起，依托國(guó)家科技部863計(jì)劃“先進(jìn)超超臨界火電機(jī)組關(guān)鍵鍋爐管開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目，我國(guó)開(kāi)展了G115 鋼厚壁大口徑管的研發(fā)。目前已經(jīng)具備了生產(chǎn)外徑尺寸19～1 200 mm，壁厚2～100 mm 全譜系鍋爐管的能力。

2017年12月，全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)召開(kāi)了G115鋼管技術(shù)評(píng)審會(huì)。結(jié)論為G115鋼管系列溫度(100～700 ℃)高溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果符合金屬材料高溫力學(xué)性能規(guī)律，650 ℃高溫抗氧化性能能夠達(dá)到GB/T 13303《高溫抗氧化性能測(cè)試方法》規(guī)定的1級(jí)(完全抗氧化性)要求。

2017年納入中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CISA 003—2017《電站用新型馬氏體耐熱鋼08Cr9W3Co3VNbCuBN(G115)無(wú)縫鋼管》，及中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTM 00017—2017《T/CSTM 00017—2017 電站用馬氏體耐熱 鋼 08Cr9W3Co3VNbCuBN(G115)》。 目 前T/CSTM00017標(biāo)準(zhǔn)已頒布了2021修訂版，增加了對(duì)G115鍛件、對(duì)焊管件和感應(yīng)加熱彎管的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2020年12月，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局特種設(shè)備安全與節(jié)能技術(shù)委員會(huì)鍋爐分技術(shù)委員會(huì)組織召開(kāi)了對(duì)630 ℃超超臨界機(jī)組示范項(xiàng)目鍋爐用G115鋼新材料使用可行性的評(píng)審會(huì)。從材料性能、使用可行性、首次應(yīng)用范圍等方面開(kāi)展技術(shù)研討，最終G115通過(guò)使用可行性評(píng)審。為G115應(yīng)用于鍋爐、壓力管道等特種設(shè)備提供技術(shù)支撐。

2.4 P92與G115比較

1)主要力學(xué)性能比較

G115與P92主要力學(xué)性能見(jiàn)表3和表4所列。

表3 ?鋼材在下列溫度下的許用應(yīng)力

表4 ?鋼材在下列溫度下的彈性模量和線膨脹系數(shù)

2)初投資

根據(jù)2020年版《限額設(shè)計(jì)參考造價(jià)指標(biāo)》，用于主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道的P92鋼材單位造價(jià)分別為7.22萬(wàn)元和7.58萬(wàn)元。

由于G115尚未有簽訂合同，市場(chǎng)價(jià)格不明確，據(jù)了解其價(jià)格約為P92價(jià)格的2倍左右。由于G115鋼材的許用應(yīng)力高，其管道的壁厚薄于P92材料。粗略估算，相同設(shè)計(jì)參數(shù)及相同內(nèi)徑條件下，G115鋼管的費(fèi)用約為P92鋼管的1.36倍。

3)焊接性能定性對(duì)比

目前主要是通過(guò)提高冶金質(zhì)量和降低雜質(zhì)元素含量以及縮短細(xì)晶粒區(qū)的寬度避免焊接裂紋，提高9%～12%馬氏體耐熱鋼焊接接頭的持久性。P92/G115均為9%～12%馬氏體耐熱鋼。

P92應(yīng)用成熟廣泛，焊接工藝比較成熟可靠，焊接性能好。

G115的可焊性評(píng)定工作是采用Gr92焊材、182鎳基焊材、Chromet焊材焊接，按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行檢驗(yàn)和試驗(yàn)，焊接試驗(yàn)結(jié)論是對(duì)于小口徑的G115可焊性良好。對(duì)于大口徑厚壁管，2019年6月，在進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)了顯微裂紋，通過(guò)針對(duì)性的冶金工藝可以解決大口徑厚壁管的焊接問(wèn)題，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)。目前，我國(guó)已掌握了G115大管的焊接及焊后熱處理工藝，并完成了焊接工藝評(píng)定。

工程應(yīng)用中，對(duì)于G115材料的較小口徑鋼管和大口徑鋼管可采取不同的冶金和焊接工藝，一定程度上可以降低工程造價(jià)。

3 630 ℃超超臨界機(jī)組高溫高壓管道選型研究

3.1 機(jī)組主要參數(shù)

相對(duì)于620 ℃超超臨界機(jī)組，630 ℃電站機(jī)組的主蒸汽溫度和高溫再熱蒸汽的溫度均有提高。機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表5所列。

表5 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)表

3.2 主蒸汽管道選材分析

對(duì)于機(jī)組參數(shù)35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃，鍋爐過(guò)熱器出口蒸汽額定工作溫度為620 ℃，考慮5 ℃的溫度允偏值，主蒸汽管道設(shè)計(jì)溫度為625 ℃。設(shè)計(jì)溫度從610 ℃提升到625 ℃，A335P92材料的許用應(yīng)力將從66.7 MPa衰減至54 MPa；同時(shí)過(guò)熱器出口蒸汽額定壓力從33.6 MPa提升到了36.75 MPa，依據(jù)《電廠動(dòng)力管道設(shè)計(jì)規(guī)范》，630 ℃機(jī)組的主蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力約為38.49 MPa。若630 ℃機(jī)組主蒸汽管道仍然采用A335P92材料，則管道壁厚將會(huì)大大增加。

主蒸汽系統(tǒng)按采用雙管制配置，單根管道介質(zhì)流量為1/2的鍋爐最大連續(xù)出力(boiler maximum continuous rate，BMCR)流量，主蒸汽管道設(shè)計(jì)壓力約為38.49 MPa，考慮采用A335P92材料，按照《發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》中管道外徑與內(nèi)徑之比小于等于1.7的薄壁管的壁厚計(jì)算方法，得到主汽管道的規(guī)格為ID330×156，但管道外徑與內(nèi)徑之比Do/Di已超過(guò)1.7，薄壁管道計(jì)算方法已不適用，根據(jù)《發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計(jì)算技術(shù)規(guī)程》條文說(shuō)明中摘錄的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13480中Do/Di>1.7的管道壁厚計(jì)算公式，計(jì)算得到的主汽管道規(guī)格為ID330×240，壁厚和管道管道重量大幅增加，將導(dǎo)致管道布置和應(yīng)力計(jì)算難度增大，管道的加工及支吊架購(gòu)置費(fèi)、廠房建筑費(fèi)用、管道安裝費(fèi)用大幅上升，工程實(shí)際應(yīng)用不具備可行性。因此，對(duì)于主蒸汽參數(shù)選用35 MPa/615 ℃的大容量機(jī)組，主蒸汽管道應(yīng)采用在設(shè)計(jì)溫度下具有更高許用應(yīng)力的材料。

3.3 高溫再熱蒸汽管道選材分析

對(duì)于630 ℃的一、二次高溫再熱蒸汽管道，在鍋爐再熱器出口蒸汽額定工作溫度632 ℃的基礎(chǔ)上考慮5 ℃的溫度允偏值，管道設(shè)計(jì)溫度達(dá)到637 ℃。在此溫度下，根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN10216-2中數(shù)據(jù)計(jì)算得到P92材料(歐盟標(biāo)準(zhǔn)中材料牌號(hào)為X10CrWMoVNb9-2)許用應(yīng)力為45.31 MPa，相較于620 ℃二次再熱機(jī)組，其許用應(yīng)力降低，再疊加壓力提升的影響，若采用A335P92材料，630 ℃機(jī)組相比較620 ℃機(jī)組，一次和二次高溫再熱蒸汽管道壁厚將會(huì)更厚。

對(duì)于630 ℃二次再熱機(jī)組，高溫再熱蒸汽管道設(shè)計(jì)溫度達(dá)到637 ℃，在此溫度下，A335P92材料的許用應(yīng)力和抗蒸汽氧化能力將大大降低，因此A335P92材料已無(wú)法滿足機(jī)組參數(shù)要求，需要采用具有更高強(qiáng)度和更高抗氧化能力的管道材料。

3.4 主蒸汽和高溫再熱管道新材料的選用

目前，在630～650 ℃溫度區(qū)間，國(guó)產(chǎn)G115馬氏體耐熱鋼是一種合適的材料。

系統(tǒng)按主蒸汽管道、一次和二次高溫再熱蒸汽管道采用“雙管”制，根據(jù)管道的設(shè)計(jì)參數(shù)及1 350 MW機(jī)組的主蒸汽和高溫再熱蒸汽的流量，核算主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道的規(guī)格見(jiàn)表6所列。

表6 主蒸汽和高溫再熱管道規(guī)格對(duì)比表

由表6看出，相較于P92，采用G115材料使管道壁厚大幅降低，尤其是主蒸汽管道壁厚減小明顯，由此引起的管道重量也大幅下降。相較于P92，采用G115材料能大幅減少主蒸汽和再熱蒸汽管道總用量。

參考同類型機(jī)組管道長(zhǎng)度，主蒸汽、一次和二次高溫再熱管道采用G115和P92材料的投資費(fèi)用見(jiàn)表7所列。

表7 主蒸汽和高溫再熱管道投資對(duì)比表

G115材料的應(yīng)用解決了蒸汽參數(shù)提高至630℃主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道選材的問(wèn)題，減少了主蒸汽和再熱蒸汽管道壁厚，降低了管道支吊架、主廠房鋼結(jié)構(gòu)的初投資及管道安裝等費(fèi)用?？梢詼p少火電機(jī)組高溫管材的投資費(fèi)用，對(duì)于35MPa/615℃/630℃/630℃機(jī)組的主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道采用G115材料管材更為合理。

3.4 630 ℃電站機(jī)組高溫管道選擇建議

對(duì)于35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃機(jī)組的主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道材料的選擇有以下建議：

1)主蒸汽管道雖然設(shè)計(jì)溫度低于630 ℃，但設(shè)計(jì)壓力很高，采用P92材料，管道重量增加72%以上，工程實(shí)際應(yīng)用基本不具備可行性。故主蒸汽管道推薦采用G115材料；

2)機(jī)組的再熱進(jìn)汽溫度為630 ℃的高溫再熱管道采用G115材料；

3)G115相對(duì)P92可以大大減小管道的壁厚和重量，降低施工難度和工程初投資。隨著G115材料工程化應(yīng)用的推進(jìn)，將廣泛應(yīng)用在600～630 ℃的火電機(jī)組上。

4)目前G115材料的各項(xiàng)商用工作已基本完成，可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，但尚未有工程實(shí)際投產(chǎn)應(yīng)用案例，建議跟蹤示范電站項(xiàng)目和G115材料的應(yīng)用進(jìn)展情況。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的650 ℃先進(jìn)馬氏體耐熱鋼G115，可以應(yīng)用于630 ℃超超臨界二次再熱機(jī)組鍋爐過(guò)熱器集箱、再熱器集箱、主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道的制作，并以此帶動(dòng)我國(guó)材料工業(yè)的發(fā)展。

鑒于G115材料優(yōu)異的高溫持久性能和較高的抗蒸汽腐蝕性能，理論上可以代替目前600～620 ℃超超臨界機(jī)組使用的P92，可以大大減小管道的壁厚，降低設(shè)計(jì)及施工的難度和工程的初投資。

隨著G115材料工程化應(yīng)用的推進(jìn)和量產(chǎn)化，可以廣泛應(yīng)用在600～630℃的火電機(jī)組上，并提升火電機(jī)組的參數(shù)到630℃的時(shí)代。