超超临界火电机组四大管道选材分析.pdf

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1、256超超临界火电机组四大管道选材分析申松林华东电力设计院，上海市，200063摘摘要要：超超临界 600MW 及 1000MW 等级火电机组这几年在我国迅速发展，本文结合国内外参数相近火电机组四大管道材料的选择，介绍新材料的性能及应用状况，综合考虑电厂投资、运行、安全等诸多方面因素，说明四大管道选材的相关内容，供相似工程参考。关关键键词词：超超临界；四大管道；新材料1 1前言随着我国经济的稳定、快速发展，对能源需求不断增加，同时环保要求也不断提高。发展大容量高参数机组，特别是超超临界机组将是我国火力发电提高发电效率、节约一次能源、改善环境、降低发电成本的必然趋势。而这一发展与大量新型耐热合金

2、钢材的开发与应用是分不开的。可以说，电力技术的发展在很大程度上取决于材料技术的发展。本报告针对国内外超超临界机组四大管道材料的选择进行分析，供超超临界火电机组四大管道选材时参考。2 2定义2.12.1 超超超超临临界界机机组组对于火力发电机组，当机组作功介质蒸汽的工作压力大于水的临界状态点压力（Pc=22.115MPa）时，我们称之为超临界机组。目前常规的超临界机组蒸汽参数一般为24.2MPa/538/566oC 或 24.2MPa/566/566oC。所谓超超临界机组（Ultra Supercritical）是相对于常规超临界机组的蒸汽参数而言的，我国电力百科全书中称：通常把蒸汽压力高于 2

3、7MPa 的超临界机组称为超超临界机组；国际上普遍认为在常规超临界参数的基础上压力和温度再提升一个档次，也就是工作压力超过24.2MPa 或者主蒸汽（或再热蒸汽）温度超过 566oC，都属于超超临界机组的范畴。超超临界机组也称为高效超临界机组（High Efficiency Supercritical）。目前国外超超临界机组参数为初压力 24.131MPa、主蒸汽/再热蒸汽温度580600/580610。国内正在建设的超超临界机组参数为初压力 2526.5MPa、主蒸汽/再热蒸汽温度 600/600。2.22.2 四四大大管管道道四大管道指主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道（热段）、低温再热蒸汽管道

4、（冷段）和高压给水管道。3 3选材原则目前国际上超超临界 1000MW 等级大容量机组的主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、高压给水管道大多采用双列式，管道管径的单列容量仅 500MW、小于单列的 600MW 机组，而低257温再热蒸汽管道又采用焊接钢管。因此，四大管道的管径并不会对发展 1000MW 等级超超临界机组构成影响。四大管道材料的选择主要还是取决于蒸汽参数。华能玉环电厂工程为国内第一个开始建设的超超临界机组，额定出力为 1000MW，机组参数为 26.25MPa/600/600，四大管道管道的设计参数、介质流量等详见表 3-1。表 3-1四大管道设计参数表序号管道名称设计压力MPa(a)

5、设计温度流量t/h1主蒸汽管道半容量管27.661014762热再热蒸汽管道半容量管7.23760812233冷再热蒸汽管道主管7.2375152446支管（半容量）7.23751512234主给水管道主给水管道主管35.5297.72952主给水管道半容量管35.5297.714763.13.1 主主蒸蒸汽汽和和高高温温再再热热蒸蒸汽汽管管道道对于大容量超超临界机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道，将比常规超临界机组面临更高压力和更高温度的考验。首先，管道材料的高温蠕变强度必须满足由于管道热膨胀而引起的热应力的要求。一般来说，适合于作为高温蒸汽管道的材料，其在工作温度下的 105小时蠕变应力值应达

6、到 90100MPa。同时，还要求管道材料的热膨胀系数比较小且导热率较大，从而能够降低管道内的热应力水平。对于以上要求，同时考虑到运行可靠性和经济因素，使主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料的选择范围很小。3.23.2 低低温温再再热热蒸蒸汽汽管管道道对于低温再热蒸汽管道，虽然主蒸汽压力提高，但是受到低压缸排汽湿度的限制，高压缸的排汽压力变化不大，因此其正常工作最大排汽温度也不会超过 400。如果机组没有特殊要求，低温再热蒸汽管道可采用最高允许使用温度为 427的 A672B70CL32 电熔焊接钢管。但对于一些工程，由于系统有特殊要求，如外高桥电厂二期超临界 2900MW 工程旁路阀有安全阀作用，

7、同时根据 Siemens 的说明，其汽轮机高压缸排汽在某些状况会出现温度高达515，故低温再热蒸汽管道采用 A691Cr1-1/4CL22 电熔焊接钢管，以保证机组的安全长期运行。华能玉环电厂也因汽轮机有同样要求，低温再热蒸汽管道采用 A691Cr1-1/4CL22 电熔焊接钢管。258可见，对低温再热蒸汽管道，需要根据不同工程的具体情况确定其材料。但不管采用碳钢 A672B70CL32 还是低合金钢 A691Cr1-1/4CL22，都不涉及新材料的应用。3.33.3 给给水水管管道道对于给水管道，由于受到烟气露点的限制，空气预热器出口的排烟温度很难做到低于 120，因此尽管超超临界机组的蒸汽

8、参数提高得较多，给水温度仍将维持在 300左右，而目前建设的超超临界机组给水管道压力只是略高 600MW 超临界机组，就目前国内外高压给水管道普遍采用的 15NiCuMoNb5 无缝钢管来说仍然适用，不涉及新材料的应用。鉴于上述原因，本文将着重结合高温材料的发展历程及现状，对超超临界机组的主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道材料的选择进行论述分析。4 4耐高温钢材的发展4.14.1 珠珠光光体体钢钢20 世纪 50 年代，电站锅炉钢管大多采用珠光体低合金耐热钢，其含 Cr3%，含 Mo1%，其典型钢种及使用温度如下：12Cr1MoV580 10CrMo910580 A335 P22580 当时，当蒸汽

9、温度超过 580，则使用奥氏体耐热不锈钢 TP304、TP347 等。奥氏体不锈钢虽然高温蠕变强度较大，允许使用的温度也较高，但是其相对于的马氏体合金钢，则导热率低、热膨胀系数大，却又造成了高温蒸汽管道较高的热应力水平。4 4.2.2 铁铁素素体体/马马氏氏体体钢钢4.2.1 EM12 钢50 年代末比利时 Liege 冶金研究中心研究了“超级 9Cr”钢，其化学成分为 9Cr-2Mo，并有 V、Nb 添加剂，材料牌号为 EM12。1964 年，法国电力公司批准 EM12 钢可用于 620 的过热器和再热器，代替过去使用的不锈钢。但是，由于该钢种是二元结构，冲击韧性差，后来未得到广泛使用。4.

10、2.2 F12 钢60 年代末，德国研究开发了 12Cr 钢，F12（X20CrMoV121）钢至 1979 年正式纳入 DIN17175标准中（化学成分见表 4-1），使用温度可达 630650。但其含碳量高，焊接性差。较后同一系列的钢种有瑞典的 HT9 和日本的 HCM12。4.2.3 P91 钢1974 年，美国能源部委托橡树岭国家实验室研究用于液体金属快中子增殖堆计划的钢材，开始改进9Cr1Mo钢，并进行了性能试验，在593/10万小时条件下的持久强度达到100MPa，韧性也较好。从技术和经济角度分析，这种钢比法国的 EM12 好（化学成分如表 4-1）。1982年橡树岭国家实验室进行

11、了对比试验，发现这种改进的 9Cr-1Mo 钢优于 EM12 和 F12。1983年美国 ASME 认可了这种钢为 T91、P91，即 SA213-T91 和 SA335-P91。其中，SA213-T91 为259小口径锅炉受热面管材。1987年法国瓦鲁海克公司针对P91与F12和EM12的比较评估研究发表技术报告认为P91有明显优点，强调要从 EM12 转为使用 P91 钢。80 年代末，德国也从 F12 转向使用 T91、P91钢。4.2.4 P92、P122、E911 钢90 年代初日本在大量推广 P91 钢的基础上发现当使用温度超过 600时，P91 钢不能满足长期安全运行的要求。另外

12、调峰任务重的机组，管材的疲劳失效也是一个大问题。日本在开发新的大机组高参数机组用钢方面做了大量的试验研究工作，目前已生产出商品钢管 P92（NF616）和 P122（HCM12A）。1994 年这两种钢也被纳入了 ASME 锅炉和压力容器规范，规范号分别为 CASE 2179 和 CASE 2180。P92 钢是在 P91 钢的基础上加入 1.52%的 W，降低了 Mo 含量，从而大大增强了固溶强化的效果，具有更高的许用应力，使用温度则可达到 620。E911 钢是一个欧洲牌号的钢种，其化学成分与 P92 相似，机械性能也基本接近。P122 是在德国牌号 X20CrMoV121 的基础上改进的

13、 12Cr 钢，添加了 2%W、0.07%Nb 和1%Cu，固溶强化和析出强化的效果都有很大的增加，具有更高的热强性和耐腐蚀性。尤其是由于含 C 量的减少，使得焊接冷裂敏感性有了改善。4.34.3新新一一代代的的 NF12NF12 和和镍镍基基合合金金新一代的 NF12 和镍基合金 Alloy617 两种材料根据现已出版的资料，105小时蠕变强度达到 100MPa 的温度分别达到了 650和 690，适用的最高蒸汽参数将分别达到：30.0MPa/625/640和 30.0MPa/660/680左右。不过这两种材料目前正处在试验和开发的阶段，不能作为成熟材料而推广使用。260表 4-1部分铁素体

14、/马氏体钢的化学成分2615 5新型耐高温材料的应用5.15.1 国国外外1)日本日本在 90 年代大量推广使用 P91、T91 钢。在日本超超临界机组的高温高压的蒸汽管道中，绝大部分采用了这一钢种。最高应用的压力为川越电厂 31.0MPa/566/566/566的超超临界机组；最高应用的温度则在原町电厂，蒸汽参数 24.5MPa/600/600。在 2000 年投运的橘湾电厂 1050MW/600/610的超超临界机组的锅炉过热器和再热器出口联箱上首次使用了 P122钢。日本超超临界电厂高温材料具体应用情况见表 5-1。表 5-1耐高温钢在日本电厂的应用日本除了在锅炉安装试验管段，没有采用

15、P92 作为主汽和再热汽热段管道，一个原因是开发 P92 的新日铁没有生产大口径无缝管的能力，而住友金属还没有开始商业生产 P92 钢。发电所名会社名额定出力（MW）主蒸汽压力（MPa）蒸汽温度（）运转开始（年月）主蒸汽管原町 1 号东北电力100024.5566/5931997-07P91松浦 2 号电源开关100024.1593/5931997-07P91三隅 1 号中国电力100024.5600/6001998-07P91七尾大田 2 号北陆电力70024.1593/5931998-07P91原町 2 号东北电力100024.5600/6001998-07P91橘湾四国电力70024.1

16、566/5932000-07P91橘湾火力 1 号电源开关105025600/6102000-07P91敦贺 2 号北陆电力70024.1593/5932000-10HCM12A橘湾火力 2 号电源开关105025600/6102001-07HCM12A碧南 4 号中部电力100024.1566/5932001-11P91新矶子 1 号电源开关60025600/6102002-04HCM12A苫东厚真 4 号北海道电力70025600/6102002-06HCM12A碧南 5 号中部电力100024.1566/5932002-11P91苓北 2 号九州电力70024.1593/5932003-

17、07HCM12A常陆那珂 1 号东京电力100024.5600/6002003-12HCM12A广野 5 号东京电力70024.5600/6002004-07HCM12A舞鹤 1 号关西电力90024.5595/5952004-08HCM12A2622)欧洲欧洲的丹麦和德国的机组比日本的机组压力稍高，由于管道壁厚增加较多，因此较多的应用了 E911 钢，另外试验性的应用了 P92 钢。收集的资料中，在丹麦有两台 580的机组主汽管道采用 P91，欧洲认为 P91 不适合作为更高温度的主汽管道材料；P92 在欧洲共有 4 台机组作为主汽管，其中一台机组主汽温度为 580，共有二台超超临界机组采用

18、 E911 作为主汽和再热汽管，其中一台温度为 580，另一台正在建设的机组主汽温度 600，再热汽温度 625。表 5-2 列举了一些应用的电厂。表 5-2新型含 W 钢在欧洲电厂的应用电厂名称材料牌号管道尺寸蒸汽参数MPa/安装时间Vestkraft#3P92ID2403925/5601992NordjyllandsvaeketP92、P122ID1604529/5821996Schkopau#BE911ID550247/5601996Staudinger#1E911ID2012221.3/5401996Skaerbaek#3E911ID2306029/5821996GK KielP92I

19、D480285.3/5451997Niederaussem KE911ID25055(主汽)ID51038(热段)26.5/580/6002002从上述日本和欧洲超超临界机组应用情况来看，欧洲的超超临界机组较早的采用了 P92、E911 钢，而在日本的机组虽然温度普遍高于欧洲的机组，但其压力则要略低于欧洲的机组，目前也仅局限于 P91 和 P122 钢的应用。总的来说，P91、P92、P122、E911 钢在超超临界机组中都还得到了的应用，积累了一定的运行性能方面的数据和经验。5.25.2 国国内内由于国内超临界机组起步较晚，主力机型还是以 300MW、600MW 亚临界机组为主，有一定数量的

20、机组仍然使用 10CrMo910、P22 等低合金耐热钢。例如平圩电厂亚临界 600MW 机组的主蒸汽管道选用了 P22；绥中电厂引进的俄罗斯超临界 800MW 机组（P=26MPa、T=540），主蒸汽管道材料为 15Cr1MoV。近年来，P91 钢的优良性能被我国的电力行业所认知，目前已作为亚临界 600MW、超临界 600MW、900MW 机组主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道的首选。它的焊接技术要求也已被我国电力设备和施工单位所掌握，并建立了一套完整的工艺控制方法。从 2003 年起，国内第一个超超临界 1000MW/600/600机组华能玉环电厂开始进行建设，根据目前工程进展的情况，四大管

21、道材料已定货，其中在锅炉范围主蒸汽管道由日本三菱重工公司担任技术支持方，采用 P122 材料，BOP 部分主蒸汽管道经过多材料方案招标，最终确定选用 P92 钢。经各方面专家综合技术、安全等因素，最后确定锅炉范围及 BOP 部分高温再热管道采用 P91 材料。截至目前，还有邹县电厂四期、外高桥电厂三期、泰州电厂等 1000MW 超超临界机组正263在建设中，另外还有阚山 600MW 等超超临界机组也正在进行中。而这些工程都将面临主蒸汽/再热蒸汽管道材料的选择。随着以上工程的投运，将对国内超超临界新材料的应用积累宝贵的经验。6 6国内目前新型耐高温材料应用面对的问题从以上可以看出，虽然供国内超超

22、临界工程主蒸汽及热再热蒸汽管道可选择的材料较多，有 P92、P122、E911 等新材料，也包括应用已较多的 P91 材料，但由于目前我国各工程均在建设中，国外工程运行时间业不长，尚有许多问题需要现在及今后面对。6.16.1 材材料料选选择择问问题题P92 和 P122 由于目前的试验时间还没有达到 10 万小时，ASME 规范中现在的数据是日本新日铁和住友公司分别根据各自短时间的蠕变断裂数据外推出来，分别为 132MPa 和 128MPa，P91 600工作温度下 10 万小时的持久强度为 94MPa，E911 为 115MPa，照此计算 1000MW超超临界主蒸汽管道单位长度重量比约为 P

23、91：E911：P92：P122100：92：61：66，另外考虑更高设计温度下各材料强度的变化趋势，在强度上 P92 和 P122 有较大的优势。然而，欧洲对日本采用 P92 和 P122 的数据外推的方法提出置疑，按照欧洲的外推，P92 在 600下 10万小时的持久强度为 115MPa，因此，这两种钢与 E911 比强度上仅仅略占优势，而且根据他们对 P92 较长时间的研究结果，P92、P122 在长时间的运行中强度降低幅度比 E911 大。如何根据各种材料尚不够丰富的应用而做出抉择，将是目前正在进行中工程无法绕过的一个难题。6.26.2 焊焊接接问问题题P91 在国内已经得到长时间的应

24、用，焊接上已经没有太大的技术问题。对 P91 焊接的经验可应用于 P92，但所有新材料，包括 P122 及 E911 都需要考虑焊接工艺、技术培训等。另外，由于超超临界高温阀门在一段时间内，仍多会采用 F91 材料，故新材料与异种钢之间也需要考虑焊接工艺、技术培训等问题。降低焊缝的脆性是个重要的技术问题，需要从焊材和工艺方面进行解决，W 含量有一定影响，P92 和 P122 比 P91 和 E911 需要更长的焊后热处理时间来保证焊缝韧性。焊接裂纹敏感性 P92 与 E911 接近，但作为 12Cr 钢的 P122 在焊接上会有较大的难度。焊缝的强度在短时间内与母材相当，但在长时间的运行中，在

25、热影响区存在 IV 型裂纹倾向，强度降低 30，因此采用这四种钢在管道的长期安全运行上都存在一定的风险，需要在工程进行同时对焊接接头的长期性能进行研究，提出相应的监督和评估措施和手段，保证焊接接头的安全。6.36.3 运运行行中中的的组组织织稳稳定定性性作为高 Cr 铁素体耐热钢，供货状态为回火，在高温运行过程中的主要组织结构的变化主要包括位错密度的降低、固溶 W 析出形成 Laves 相等，前者降低高温强度，固溶 W 的减少也降低高温强度，但析出的 Laves 相可适当弥补 W 的变化带来的强度影响，然而 Laves 相的析出会导致脆性的增加。在三种含 W 的耐热钢中，P122 因为含有 1

26、.0%的 Cu，会促进 Laves 相的析出和长大，在运行中的组织稳定性最差，E911 和 P92 接近；现有的研究数据表明，运行10000 小时后，P122 的冲击韧性降低最明显，P92 与 E911 也明显下降，P91 冲击韧性变化最小。但缺乏更长时间的运行试验数据说明进一步的发展趋势。这需要超超临界工程相关各方在电厂运行中加强材料监督。2646.46.4 高高温温蒸蒸汽汽氧氧化化与与腐腐蚀蚀性性能能耐热钢的抗蒸汽氧化性能主要取决于 Cr 和 Si 的含量，P91、P92 和 E911 含 Cr 都是 9%，其氧化与腐蚀性能相近，P122 含 Cr 量为 12%，抗氧化腐蚀性能有所提高。在

27、超超临界机组中，由于蒸汽温度的提高，蒸汽侧氧化和氧化层的剥落问题要比亚临界和超临界机组严重，国外的超超临界机组中有因为严重的蒸汽氧化问题被迫降低参数运行的例子，但问题主要在过热器和再热器，对于 600下运行的主汽管道和再热汽热段管道，由于金属壁温的波动不频繁，氧化层剥落的可能性较小，运行一段时间后，氧化速率逐渐下降达到平衡，因此 9%Cr 钢估计可以满足抗蒸汽氧化的性能要求。但建议在工程设计时予以充分考虑。6.56.5 商商务务因因素素对对材材料料选选择择的的影影响响随着这几年中国电力建设的飞速发展，进口材料价格变动非常大。同时考虑到近些年超超临界机组所用新材料主要在中国目前市场，国际上不同钢

28、铁公司可能基于不同的出发点，对各工程新材料商务报价各不相同。虽然华能玉环电厂工程综合技术及商务因素，选择了 P92，后续几个工程，也有可能做出不同的选择。7 7综述综上所述，四大管道是电厂系统的重要组成部分，管道材料的机械特性和高温性能将直接影响电厂机组的安全可靠性及今后运行的经济性。如果材料选择不当，将来可能造成降参数运行，影响电厂效益，严重者将会带来安全问题，导致更大的经济损失。根据以上的分析，结合四大管道材料应用和发展的现状，就超超临界参数机组的四大管道材料选择，提出以下参考意见：1)对于主蒸汽管道，P91 材料已应用到最高限度温度，且管道较厚，将带来现场焊接困难，故不再适宜选用，可考虑

29、从 P92、P122、E911 三种新材料中选用。P92 材料使用时间较短，按目前标准执行长期使用是否会出现问题需要时间来考验；从使用业绩方面，P122 材料相对较多，技术上相对安全，但由于该材料在现场焊接上较难把握，故实际初次应用也有风险；根据一些资料反映，E911 材料近期价格较高，但考虑到影响商务的因素较多，对稍晚一些的工程也许会显现竞争力，可继续保留作为一个选择。综合以上多方面因素，建议目前进行的超超临界工程主蒸汽管道可按 P92、P122、E911 多种材料方案进行招标等工作。2)对于高温再热蒸汽管道，同样可选择 P92、P122、E911 多种材料。考虑到超超临界机组采用 P91

30、钢有一定业绩，相对 P92 钢的强度数据问题，具有相对较小的风险。另外，由于高温再热蒸汽压力不高，超超临界机组采用 P91 管道壁厚适中，不会出现高强度材料薄壁管道的焊接难题。建议目前进行的超超临界工程除考虑 P92、P122、E911 等新材料以外，可考虑保留 P91 材料作为一个选择。3)低温再热（冷段）蒸汽管道可采用 A672B70CL32 或 A691 Cr1-1/4CL22 电熔焊钢管，根据工程具体要求进行选择。4)高压给水管道可采用 15NiCuMoNb5 材料。展望未来，虽然近期建设中的超超临界机组在新材料选择及应用方面面临许多难题，但伴随着各个方面的积极合作与交流，所作的选择将

31、会是集众人智慧结晶的最安全、经济、优化选择。随着这些工程的建成投运，将为未来建设的更多、参数更高、容量更大的超超临界机组积累宝贵的经验。265参考文献：1 华能玉环电厂工程四大管道选材专题报告.上海:华东电力设计院,2004.2 Power Piping ASME B31.13 The T92/P92 Book Vallourec&Mannesman Tubes4 SUMITOMO Boiler Tubes&Pipe SUMITOMO Metal Ind.,Ltd5 Properties of HCM12(12Cr-2W-0.4Mo-1Cu-V-Nb-B)Ferritic Steel Tube

32、s and Pipe.SUMITOMO Metal Ind.,Ltd.6 国外超超临界锅炉用高温高压钢管材料特性及应用介绍 东方锅炉 杨华春 屠勇7 火力发电厂汽水管道设计技术规定 DL/T 5054-19968 火力发电厂汽水管道应力计算技术规定 SDGJ6-909 The WB36 Book(15NiCuMoNb5)Vallourec&Mannesman Tubes作者简介:申松林(1972 年-),毕业于上海交通大学电厂热能动力工程专业,1994 年进入电力设计院工作，从事多项电厂工程设计，现为华东电力设计院高级工程师，任华能玉环电厂 41000MW 超超临界机组工程汽机专业主设人，任外高桥电厂三期 21000MW 超超临界机组工程及泰州电厂 21000MW 超超临界机组工程汽机专业主管科长。