1000MW 超超临界机组四大管道材料选择论述 程永霞 陶伟静
（东北电力设计院 热机室 吉林省 吉林市 132012）
摘要：本论文通过综合分析国内外高温高压合金钢技术特性及电力行业应用情况，对1000MW 超超 临界机组四大管道材质及规格进行了详细计算及选取，对四大管道的材料和规格提出了具体要求和详细的论述。
关键词：超超临界；高温蠕变；抗氧化性能；电熔焊接钢管；A335P91/P92材料
1 主蒸汽管道材料论述
超超临界机组电厂的设计关键之一是选择合适的钢材，不论是汽机本体、锅炉水冷壁、过热器、再热器，还是四大管道，均应选择合适的钢材，合适的钢材一般考虑以下因素：要求具有高的高温热强度、耐高温腐蚀、耐汽侧氧化、有良好的焊接及加工性能，经济上比较合理。目前，国际上对于600℃以上的高温管道，没有非常成熟的材料，各国对600℃以上的高温管道材料均处于开发、研制和试验阶段。根据各国的应用经验，适用于600℃以上的高温管道材料主要有ASTM A335 P92、ASTM A335 P122和E911等三种，三种材料的高温蠕变断裂强度试验均未做到100000小时，均是根据一定时间的试验数据外推得出的。三种材料均没有纳入正式标准，如ASME 标准，只列入ASME Code Case（案例）中，ASME Code Case中的内容是ASME 委员会根据一定的试验数据和应用经验批准使用的，在一般情况下只能参照使用。而对于主蒸汽管道，P91材料已应用到最高极限温度，管道热强度较低，经计算会使管壁较厚，管道刚度大，管道热应力计算不好过关，对设备推力较大，且影响机组变负荷速率，故不宜选用。在新型的P92、P122和E911三种钢材中，从国外的使用业绩看，欧洲的超临界机组，较早采用了P92和E911，而日本机组虽然温度普遍高于欧洲机组，但其压力略低于欧洲机组，多采用P92和P122。国内用得较多的是P92，如华能玉环电厂和华能营口电厂二期
等，主要原因是P92的焊接可利用P91的焊接经验，而P91的焊接经验国内已经掌握。
P92、P122和E911三种耐高温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要求，
一般说来，适合于高温管道的材料，在其工作温度下的105
h 蠕变强度值，应能达到90~100MPa，同时要求管道材料的热胀系数比较小，且导热系数较大，从而能降低管道内外壁的应力差。对于P92和P122钢材，
由于目前的试验未达到105
h，ASME 规范中现在的数据是日本新日铁和住友公司根据短时间蠕变断裂数据外
推出来的，分别为132MPa 和128MPa，E911/600°C 105h 的高温蠕变强度为115MPa。根据105
h 的蠕变强度值，可计算出管壁厚度并推算出三种钢材单位长度的重量比为： E911：P92：P122=100：66：72
从高温热强度来看，P92和P122有较大的优势，其管壁可以相对较薄，既可节省初投资，又可解决管壁过厚的焊接问题及管道设计问题。
目前主蒸汽管道可选用的钢材均为Cr 铁素体耐热钢，供货状态为回火，在高温运行中，其组织结构变化主要包括：位错密度降低，固溶W 析出形成Laves 相等等。前者降低高温强度，固溶W 减少也会降低强度，三种钢材中P122因含有1%的Cu 会促使Laves 相的析出和长大，在长期运行中稳定性最差，E911
和P92接近，运行105
h 后P122冲击韧性降低明显，P92和E911也明显降低。
从焊接方面比较，P92、P122和E911三种钢材均为新材料，降低焊缝的脆性是一个重要的技术问题，需要从焊材和工艺方面进行解决，W的含量有一定影响。P92和P122比E911需要更长的焊后热处理时间，来保证焊缝韧性。焊缝裂纹的敏感性，P92与E911接近，但作为12Cr 钢的P122在焊接上会有更大的难度。焊缝的强度在短时间内与母材相当，但在长时间的运行中，在热影响区存在IV 型裂纹倾向，强度降低30%，所以，在工程进行的同时，应对焊接接头的长期性能进行研究，并提出相应的监督和措施和手段，保证焊接接头的安全。
对于超超临界机组的主蒸汽管道，抗氧化性能也是一个关键问题，P92、P122和E911三种耐热钢材的抗蒸汽氧化性能，主要取决于Cr 和Si 的含量，P92和E911的含Cr 量都是9%，其抗氧化能力相近，P122含Cr 量为12%，抗氧化能力较P92和E911稍强。由于超超临界机组蒸汽温度提高，蒸汽侧氧化和氧化层剥落问题，比亚临界机组和普通超临界机组严重，国外超超临界机组中有因为严重的蒸汽氧化问题被迫降参数运行的情况，问题主要在过热器和再热器，对于600°C以下运行的主蒸汽管道，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，所以9%Cr钢可以
满足抗蒸汽氧化的性能要求。
根据上述对三种耐热钢在高温热强度方面、焊接性能方面以及抗氧化性能方面的综合比较，锦州工程仍优先选用P92作为主蒸汽材料。对于ASTM A335 P92材料，按常规采用的许用应力数据应为ASME Code Case 2179－3中的数据，即610℃时为79.4MPa，但欧洲蠕变委员会（ECCC）2005年9月公布了经过评估的P92材料100000小时的持久强度数据，据此推出P92材料的许用应力，610℃时为66.6 MPa，该值在ASME Coad Case 2179－3标准中又没有更新，而P92材料又没有列入欧洲标准的“非常”时期，为安全可靠起见，管道规格按照许用应力为610℃时66.6 MPa选用。
类似参数工程主蒸汽管道情况统计表 工程名称 材 料 最小内径X 最小壁厚
主管：ID349X72 玉环 （2X1000MW） P92 支管：ID248X53
主管：ID381X78 邹县四期 (2X1000MW P92 支管：ID254X53.4 主管：ID368X91 绥中二期 (2X1000MW P92 支管：ID260X66 主管：ID406X98 华能营口二期 （2X600MW） P92 支管：ID292X71 主管：ID368X91 华润锦州 (2X1000MW
P92
支管：ID260X66
2 再热热段蒸汽管道材料论述
再热热段蒸汽管道的温度与主蒸汽管道的温度相当，选择的管道材料也要耐同样的高温，所以，P92、P122和E911仍然是所选之列，考虑到超超临界机组采用P91钢有一定的业绩，而再热热段蒸汽管道压力不高，如果采用P91，管道的壁厚也不会太厚，不会出现高强度材料薄壁管道的加工和焊接难题，所以保留P91材料作为再热热段蒸汽管道的材料，也是一个选择。同样考虑P122的焊接技术难点和E911的价格问题，国内同类型机组基本上只在P92和P91两种材料中比较、选择。
1000MW（或600MW）超超临界机组就P91和P92两种材料进行比较后进行优选，下面是一些知名专家关于P91材料的论述。西安热工研究院的周荣灿、范长信的论文《超超临界火电厂材料研究综述及选材分析》中有如下论述：“P91在国内已经有10余年的使用经验，在日本P91钢最高使用温度超过了600℃，但在欧洲，根据欧洲蠕变合作委员会（ECCC）的建议，P91的设计许用应力比美国和日本低10％，认为P91只能用于25MPa ／593℃或30MPa ／580℃以下的蒸汽参数。建议在我国的机组中使用温度不超过580℃。” 苏州热工研究院的赵彦芬、张路以及西安热工研究院的刘江南、王正品、耿波、石崇哲联合撰写的论文《T91钢