高強(qiáng)鋼材料在電站壓力鋼管中的適用性研究

王建忠，吳昕達(dá)，李志浩，石天磊，丁曉霞，吳 剛

（浙江寧海抽水蓄能有限公司，浙江 寧波 315621）

高強(qiáng)度鋼一般指屈服強(qiáng)度小于1 180 MPa，大于460 MPa的特種鋼材，一般用作大批量高壓力管道及容器的建設(shè)。當(dāng)前電廠管道體系中，需要使用大批量的可以承擔(dān)超臨界、亞臨界狀態(tài)蒸汽壓力的管路，這類管路壓力高、流量大、閥門開關(guān)過程中氣錘效應(yīng)顯著，需要考慮使用高強(qiáng)度鋼材料實(shí)現(xiàn)管道功能。其中，亞臨界蒸汽壓力為16.77 MPa，溫度540℃，超臨界蒸汽壓力22.11 MPa，溫度550℃，超臨界蒸汽壓力31.00 MPa，溫度600℃。

如果采用普通鋼材，當(dāng)鋼材溫度超過500℃時(shí)，分子結(jié)構(gòu)開始逐漸活躍，宏觀結(jié)構(gòu)蠕性特性增加，黑體輻射逐漸進(jìn)入到可見光波段，即出現(xiàn)“燒紅”現(xiàn)象。該研究使用仿真試驗(yàn)方法，研究常規(guī)運(yùn)行條件下高強(qiáng)鋼材料在電廠高壓高溫管路中的表現(xiàn)，進(jìn)而探討氣錘、水錘作用對高強(qiáng)鋼材料的可靠性影響，重點(diǎn)探討不同屈服強(qiáng)度的高強(qiáng)度鋼在高溫蠕變條件下的抗高壓、抗高溫特性，探討高強(qiáng)鋼材料在電站壓力鋼管中的適用性。

1 仿真實(shí)驗(yàn)過程實(shí)錄

火力發(fā)電站管系中，不同位置的管道直徑、流量、溫度、壓力等參數(shù)均有差異，該研究重點(diǎn)針對鍋爐承壓容器到蒸汽輪機(jī)主控閘閥之間的高溫高壓管道，這部分管道的壓力、溫度要求在火力發(fā)電站中最為苛刻，常規(guī)條件下也作為火力發(fā)電站的標(biāo)稱壓力和標(biāo)稱溫度進(jìn)行控制。所以，該研究針對該段管道構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

在Autodesk CAE環(huán)境下加載流體力學(xué)控件、熱力學(xué)控件和Simuwork仿真環(huán)境控件，在浮點(diǎn)型計(jì)算主機(jī)上構(gòu)建仿真環(huán)境，熱源設(shè)定540~600℃，壓力源設(shè)定為16.77~31.00 MPa，選擇鋼材料熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、分子力學(xué)特性根據(jù)AHSS-DP國際標(biāo)準(zhǔn)材料特性表中查詢配置。

實(shí)驗(yàn)過程分為以下兩步：

（1）檢測材料常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下，即恒定溫度、壓力、流量條件下鋼材料的形變特征。檢測材料常規(guī)運(yùn)行條件下的疲勞、損傷情況；

（2）檢測蒸汽壓力條件下的抗氣錘效應(yīng)特征，閥門開關(guān)時(shí)間設(shè)定為6 s，閥門形式為電動(dòng)螺桿式閘閥，連續(xù)開合閥門一定次數(shù)后，觀察材料常規(guī)運(yùn)行條件下的疲勞、損傷情況。

數(shù)據(jù)比較分析過程使用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件輔助進(jìn)行，其中：回歸分析使用校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?dāng)＞0.70時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)有可置信的關(guān)聯(lián)度，當(dāng)＞0.99時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)有顯著的關(guān)聯(lián)度，且值越大，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度越高；差異分析使用雙變量校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?dāng)＜10.000時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，且值越小，認(rèn)為數(shù)據(jù)差異性越大，且同時(shí)考察雙變量校驗(yàn)的值，當(dāng)＜0.05時(shí)，認(rèn)為比較結(jié)果在可置信空間內(nèi)，當(dāng)＜0.01時(shí)，認(rèn)為比較結(jié)果有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且值越小，認(rèn)為數(shù)據(jù)置信度越高。

實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，電廠內(nèi)相關(guān)管道一般采用中高強(qiáng)度鋼材料DP-460，該研究將該材料管道實(shí)際運(yùn)行參數(shù)提取并在仿真環(huán)境中構(gòu)建參照組，以研究高強(qiáng)鋼材料AHSS-DP-550的參數(shù)優(yōu)勢。

2 常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)高強(qiáng)鋼材料的表現(xiàn)

恒定溫度、壓力、流量條件下，影響管壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素包括管道內(nèi)徑、管道壁厚、管道熱處理方式、管道鍛壓方式等諸多其他因素。實(shí)際仿真分析過程中，發(fā)現(xiàn)：管道內(nèi)流量增加，動(dòng)壓增加而靜壓減小，管道常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下的應(yīng)力可靠性增加，但此過程對管道的影響較為緩和，所以不展開論述；管道熱處理過程，比如鍛壓過程、回火過程、焊接過程等，均對管道可靠性帶來影響，但如果此工藝過程不存在瑕疵，也不會(huì)給管道可靠性帶來顯著影響，所以此處也不展開論述；常規(guī)壓力、溫度條件下的管壁厚度對管道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響最為劇烈，如圖1所示。

圖1 管壁厚度與屈服壓力的回歸分析結(jié)果Fig.1 Regression analysis results of pipe wall thickness and yield pressure

由圖1可知，考察AHSS-DP-550鋼在熱鍛持續(xù)成型管道技術(shù)條件下加工管材的持續(xù)工況屈服壓力，考察管壁厚度為25~45 mm，考察管道內(nèi)徑為600 mm，發(fā)現(xiàn)隨著溫度上升，管道屈服壓力隨之下降，特別在600℃工況下，當(dāng)管壁厚度小于34 mm時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在工況壓力31.00 MPa下屈服。上述回歸曲線，值分別為0.993、0.990、0.854，均存在＞0.70，具有可置信的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)。

該管道在電站內(nèi)部署的過程中，不能只考察管道在恒定溫度、壓力、流量條件下的運(yùn)行狀態(tài)，還應(yīng)考察閥門開關(guān)過程中的氣錘效應(yīng)，所以必須保留足夠的管道厚度余量。對比分析某電站實(shí)際應(yīng)用的DP-460中強(qiáng)度鋼材料，輸入相關(guān)查表參數(shù)后，對比其不同溫度、壓力條件下屈服時(shí)的最小厚度，如表1所示。

表1 強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋼的工況條件下最小厚度比較表Tab.1 Comparison of minimum thickness between strength steel and high strength steel under working conditions mm

由表1可知，高強(qiáng)度鋼（AHSS-DP-550）與中強(qiáng)度鋼（DP-460）相比，考慮到內(nèi)徑600 mm的管道結(jié)構(gòu)，考察不同的管道管壁厚度，以圓環(huán)面積計(jì)算，在不同溫度、壓力條件下，分別節(jié)約鋼材33.30%、33.56%、37.01%。上 述 比 較 結(jié) 果＜10.000，＜0.01，具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

3 氣錘效應(yīng)下高強(qiáng)鋼材料的表現(xiàn)

流體在管道內(nèi)的流量被閥門等設(shè)施截?cái)鄷r(shí)，因?yàn)榱黧w慣性力的反作用力，會(huì)給管道帶來瞬時(shí)額外壓力應(yīng)力，可能對管道的焊縫、接頭、管件等帶來沖擊破壞作用。因?yàn)橐后w的可壓縮性顯著低于氣體，所以液體帶來的水錘效應(yīng)會(huì)顯著高于氣體帶來的氣錘效應(yīng)。電站管道內(nèi)運(yùn)行的高溫高壓氣體，可壓縮性遠(yuǎn)低于常壓氣體，其氣錘效應(yīng)接近水錘效應(yīng)的影響效果，所以此處應(yīng)考察不同工況下的氣錘效應(yīng)。即相關(guān)文獻(xiàn)中指出，在水蒸氣的亞臨界狀態(tài)下，以及溫度、壓力更高的超臨界狀態(tài)下和超超臨界狀態(tài)下，其氣體可壓縮性接近于零，氣錘效應(yīng)對管道可靠性的影響接近水錘效應(yīng)。

如前文所述，該研究考察的電站高溫高壓管道，采用閘閥控制，從全閉到全開及全開到全閉的動(dòng)作時(shí)間均設(shè)定為6 s，閘閥節(jié)流曲線按照圓形斷面割線面積法計(jì)算。因?yàn)闅忮N條件的仿真過程也較為復(fù)雜，此處不展開論述全部仿真結(jié)果，考慮到氣錘條件影響后，修正的管壁可靠厚度如表2所示。

表2 中強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋼的氣錘條件下最小厚度比較表Tab.2 Comparison of minimum thickness between medium strength steel and high strength steel under air hammer condition mm

表2中，工況厚度沿承前文表1中計(jì)算獲得恒定溫度、壓力、流量條件下的最小管壁厚度，最小冗余取值為考慮到氣錘效應(yīng)后的最小管壁厚度，考察不同的管道管壁厚度，以圓環(huán)面積計(jì)算，不同溫度、壓力條件下分別節(jié)約鋼材25.39%、29.26%、42.41%。上述比較結(jié)果＜10.000，＜0.01，具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

對比恒定工況條件下的最小管壁厚度和考慮氣錘條件下最小管壁厚度，特別比較實(shí)用高強(qiáng)度鋼后相比較中強(qiáng)度鋼的鋼材料節(jié)約量，會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)用高強(qiáng)度鋼的3點(diǎn)優(yōu)勢：使用高強(qiáng)度鋼后，鋼材料總消耗量大幅度減少，因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼的市場價(jià)格較中強(qiáng)度鋼僅高出15%左右，實(shí)際鋼材節(jié)約量遠(yuǎn)超過該單價(jià)提升量，所以使用高強(qiáng)度鋼可以節(jié)約建設(shè)過程的材料費(fèi)支出。因?yàn)槭褂酶邚?qiáng)度鋼后節(jié)約了大量鋼材，關(guān)聯(lián)的鋼材冶煉等過程的電能消耗、碳排放等環(huán)境保護(hù)要素也得到提升。隨著溫度壓力的提升，使用高強(qiáng)度鋼的經(jīng)濟(jì)性會(huì)顯著提升，特別是考慮氣錘條件后，在高壓力、高溫度條件下的材料節(jié)約量更為顯著。

4 結(jié)語

該研究停留在仿真分析過程中，仿真目標(biāo)為鍋爐承壓管路到汽輪機(jī)主控閘閥之間的高溫高壓管路，該部分管路為亞臨界、超臨界火力發(fā)電站中壓力、溫度條件最苛刻的管路。經(jīng)過仿真分析，發(fā)現(xiàn)使用高強(qiáng)度鋼后，管道內(nèi)徑保持不變的條件下，管道管壁厚度可以大幅度降低，從而節(jié)約最高可達(dá)42.41%的鋼材用量，一方面節(jié)約了建設(shè)材料費(fèi)成本，另一方面通過鋼材加工關(guān)聯(lián)工藝實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的綠色節(jié)能。