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1、超超临界百万机组高温蒸汽管道材料的选用分析第42卷第2期2011年3月锅炉技术BOIIERTECHNOIOGYVo1.42,NO.2Mar.,2O1l文章编号:CN311508(2011)03004106超超临界百万机组高温蒸汽管道材料的选用分析徐大伟,于海田,吴非文(1.中国水利电力物资有限公司,北京100045;2.西安热研究院,陕西西安710032)关键词:超超临界;许用应力;高温蒸汽管道摘要:百万超超临界机组高温管道用钢设计的关键是选择合适的材料,目前国内外已投产或在建的百万机组高温管道用钢基本以P91,P122,E911和P92材料为主.以上4个钢种的最新试验数据和研究成果为依据,以
2、2005年开T的上海外高桥电厂三期百万机组项目为例,从技术角度和经济角度对以上4种材料进行比较分析论证,并针对百万机组高温蒸汽管道材料的选用提出了自己的意见和建议.中图分类号:TK225文献标识码:A0前言临界百万机组蒸汽管道材料的使用提供参考.国内超超临界百万机组的设计和建设初始于华能玉环电厂,后期国内百万机组高温蒸汽管道材料的选用基本沿袭玉环电厂的选材方式(即主蒸汽管道选用P92材料,而热段管道选用P92或者P91材料).2005年以来,根据超超临界机组材料性能研究的最新进展,包括欧洲合作蠕变委员会(简称ECCC)等机构对P92,E911及P122等材料持久强度进行了的最新评价,这为百万机
3、组高温蒸汽管道材料的选用提出了新的课题.本文的目的,在上海外高桥电厂三期21000Mw机组主蒸汽和再热热段管道材料的的选取进行分析和论证,以便为国内日渐增多的超超1百万机组高温蒸汽管道用钢的选材原则百万超超临界机组高温管道用钢设计的关键是选择合适的材料,一般需要从蠕变强度,抗高温蒸汽氧化性能,抗热疲劳性能,长期组织稳定性和焊接性能等几方面加以考虑.2百万机组高温蒸汽管道用钢比较分析目前,国外用于运行参数为25.030.0MPa,600/600oC等级机组的高温蒸汽管道材料有A335P91,NF616(A335P92),HCMl2A(A335P122),E911,他们是在相同的思路下研制开发的,
4、具有相似的基本特点.图1l1为912Cr钢的研发过程.600100000h持久强度I!:竺!I+MoHCM9M+VfSTBA271一+N9Cr-2MoVNbl+Nb熙NFA49213V.Nb.()n.;.1:二:ITempaloyF-9+M0一12Cr一05Mol+Mol+匝固叵一HT91HT9(DINX20CrfDINX20CrMoV121)MoWV1211图1912Cr钢的研发收稿日期:2O100125作者简介:徐大伟(1973),男,硕士,主要从事高温金属材料的销售和研发工作.锅炉技术第,42卷以下将就此4种材料的化学成分,许用应力,焊接性能,长时组织稳定性,高温抗氧化性和供应等方面分别
5、进行比较和分析.4种材料的化学成分比较表l:.从各白化学成分中可以看出P9l,P92和E9l1是9%Cr钢的变质钢,而Pl22为12Cr2.1化学成分的变质钢.表1化学成分比较表从各自化学成分巾可以看出P91,P92和E911是9Cr钢的变质钢,而P122为12Cr的变质钢.2.2许用应力2.2.1TP91钢在日本,P91钢的最高使用温度超过了600(橘湾火力l号);在瓦卢瑞克一曼内斯曼公司关于P91材料的手册巾,认为其适用于锅炉外部的零部件(如管道和集箱),蒸汽温度高达6lO(1130.F)左右.ASME规范巾列明rP91材料的许用应力见表2.表2T/P91钢许用应力注:畦厚>3”时为
6、66MPa.2.2.2P122和P92钢ASME规范巾P92和Pl22的数据是日本新日铁公司和住友公司根据短时间蠕变断裂数据外推出来的.欧洲对此外推数据提质疑,按照欧洲的外推数据,这两种钢与E911相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.2004年时日本发生Pl22爆管事故,应日本政府要求,2005年日本高铬钢许用应力委员会(简称SHC)对P122材料的许用应力重新进行了评估,其许用应力变化见表3J.表3SHC对KASUS410J3TP(P122)重新评估前后的许用应力值ECCC于2005年对P92持久强度值进行
7、_r重新评估并给m了最新的许用应力值见表4:表4P92设计许用应力的变迁MPa温度/ASMECC2179ECC(l999ECCC20()5608()600610620650l20.2l05.88879.470.947.212010(j.78273.364.742.7l】0.7.77.366.75837.32.2.3E9l1钢同P92材料一样,ECCC2005的试验结果表明E911在600左右时持久强度也有较大的降低,其主要原因同P92,P122类似均是f_I于长时间蠕变数据的出现,反映出运行巾金相组织的老化对蠕变性能产生了较大的影响,而在早期的强度数据评估中过多采用短时间的试验数据,在延长时间
8、的试验中蠕变机制发生了变化.ECCC丁2005年对E91l钢10h持久强度的进行了重新砰估,其持久强度和据此推算的许用应力值见表5.表5E911持久强度和许用应力值MPa第2期徐大伟,等:超超I界百万机组高温蒸汽管道材料的选用分析基于目前国内超超临界机组主蒸汽和热段管道的取用温度都在600610左右,可以对以上4种材质在此温度区间时的许用应力作一比较,见下表6.表60种CJ.VJkJLa和1时的许用应力值”温度/P91P92E911P12260065.2561.575.3365.36860857.1156.3668.4358.4260.9661057.0455.0766.756.759.2注:
9、为壁厚<3”时数据.根据以上对P91,P92,E911和P122材料设计许用应力的分析,可以看出.(1)由于长时间蠕变数据的出现,P92,E911和Pl22材料的许用应力的评估值较初始值有大幅度降低;(2)在600610范围内,P91,E911和P122材料许用应力明显低于P92材料.而在此温度范围内,E911和P122材料与P91材料相比,许用应力几乎没有任何优势,尤其是在”610,壁厚小于3”时,E911许用应力甚至小于P91许用应力.2.3焊接性能对P9l材料而言,无论在国外还是国内.其均得到了广泛的应用,因而其焊材研制以及焊接工艺和技术的开发最为成熟;而对于后者而言,作为新材料,
10、如何降低焊缝的脆性是重要的技术问题,需要从焊材和工艺方面进行解决,w的加入使得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;另外,高的Cr含量也使P122材料的焊接难度明显大于9Cr钢.2.4长时稳定性此4种钢材均为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和同溶w析出形成Iaves相等,前者会使高温强度降低,固溶w的减少也降低高温强度,但析出的Iayes相可适当弥补w的变化所带来的强度影响,然而Iaves相的析出会导致脆性的增加.在3种含w的耐热钢中.P122因含有1.0的Cu会促使Iaves相的析和长大,在长期运行中稳定性最
11、差,E9ll和P92接近.现有研究数据表明,运行10000h后,P122冲击韧性降低最明显,P92和E91l也明显降低,P91冲击韧性变化最少.2.5高温抗氧化性能耐热钢的抗氧化性能主要取决于Cr租Si的含量.P9l,P92和E91l都是9Cr钢,其抗氧化性能相近,P122是12Cr钢,其抗氧化能力有所提高.在超超临界机组中,由于蒸汽温度的提高,蒸汽侧氧化和氧化层剥落的问题比亚临界和超临界机组严重,同外的超超临界机组运行中有因为严重的蒸汽氧化问题被迫降低参数运行的例子,但主要存在于过热器和再热器,对于600左右运行的主蒸汽管道和再热热段管道,由于金属壁温波动不频繁,氧化层剥落的可能性较小,而且
12、运行一段时间后氧化速度逐渐下降达到平衡.冈此9Cr钢已基本可以满足抗蒸汽氧化的性能要求.2.6供应问题目前,超超临界机组主蒸汽和再热热段所需P92和P91材料可南美国,日本住友金属以及欧洲公司供应,而对于P122和E91l材料而言,分别只有Ft本和欧洲一家工厂可以供应.3百万机组高温蒸汽管道用钢的经济性分析本节以2005年动工的国内某百万机组项目为例,对高温蒸汽管道不同选择方案的经济性进行比较和分析.其中P92,P9l,E91l的价格资料源于本项目2005年四大管道招标时外商报价资料,本项目未针对P122材料报价.以下成本价格为单台机价格.3.1使用P91材料时高温蒸汽管道成本价格见表7表7选
13、用P91材料时的成本价格44锅炉技术第42卷3.2使用P92材料时高温蒸汽管道成本价格见表8表8选用P92材料时的成本价格3.3使用E911材料时高温蒸汽管道成本价格见表9表9选用E911材料时的成本价格注:P92材料价格和P91材料价格为美国工厂报价报价,欧洲T厂同种材质较此价格高约2O;E911材料价格为欧洲工厂报价,因为美国T厂不生产此材质管材.基于以上数据,可以对选用不同材料时的主蒸汽管道,热段管道价格进行比较和分析,见表l0.表10价格比较表根据该项目当时的报价情况,可以看出,就整套机组四大管道经济性而言,P92材料管材价格较P91材料管材具备价格优势(虽然P91材料的重量单价较P9
14、2材料重量单价便宜,但因为许用应力的问题,导致P91材料管壁较P92材料管壁厚,故折合到长度价格时亦高于P92材料),每台机组可节省进口成本约lOO万美金.但相比较而言,P92材料的价格优势在壁厚较大的主蒸汽管道上体现更为明显(较P91材料低l8.34),而对于壁厚较薄的热段管材而言,P92的价格优势有第2期徐大伟,等:超超临界百万机组高温蒸汽管道材料的选用分析45限(较P91材料低5.52).对于E911材料而言,无论是主蒸汽管道还是热段管道,其价格远远高于P92和P91材料价格.P122材料价格大致与E911相仿或略高一些.值得一提的是,虽然以上分析基于2005年价格数据,但从目前掌握的材
15、料价格而言,几种材料间,尤其是P92材料和P91材料间重量单价(即美元/吨)的比例关系变化不大,因而可以以此项目大致分析其他同类型机组在选用不同材料时的价格关系.但本项目中选用了弯管,其他项目中一般选用弯头,会对整体造价和这种比例关系造成一定影响.从供应角度而言,目前,超超临界机组主蒸汽和再热热段所需P92和P91材料可由美国,日本住友金属以及欧洲公司供应,而对于P122和E911材料而言,分别只有日本和欧洲一家可以供应.4国内外超超临界机组钢种应用情况4.1日本5日本上世纪9O年代以来大量在超超临界机组中使用P91钢,在原町电厂中使用温度达到600/600,在2000年投运的橘湾火力l号电厂
16、1050MW/600/610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,具体应用情况见表11.表11日本2000年以来投产的USC机组使用的钢管材料电厂名称墓蒸度筹日本没有采用P92作为超超临界机组主蒸汽和再热热段管道的一个原因是开发P92的新日铁公司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.4.2欧洲欧洲的丹麦和德国的机组较多应用了E911钢,另外试验性的应用了P92钢.欧洲认为P91材料不适合于作为更高温度下的主蒸汽材料.表l2列举了一些应用新型含w钢的电厂.表12新型含W钢在欧洲的应用电厂名称管道尺寸喜蒿Vestkraft3号P92ID2403
17、925/5601992nordiyllandsvaeketP92P122IDl604529/582l996Schkopaub号E911ID550247/5601996Staudinger1号E9l1ID2O12221.3/5401996Skaerbaek3号E911ID23O6O29/5821996GKKie1P92ID480285.3/5451997NiederaussemKE911ID2505526.5/5802002从欧洲和日本电厂铁素体钢应用情况来看,欧洲较早采用了P92和E911钢,而在日本,虽然机组温度普遍高于欧洲机组,但目前仅限于P91和P122钢的应用.总体说来,P122,E9
18、11尤其是P92还没有得到广泛的应用,投运机组运行时间有限,积累的运行性能方面的数据和经验不是很多.4.3国内目前,国内亚临界和超临界机组主蒸汽管道和再热热段管道普遍选用P91材料,但对于超超临界机组而言,已投产和规划中的项目主蒸汽管道无一例外选用了P92材料,而热段管道部分为P92材料,部分为P91材料.表13为国内目前部分百万机组主蒸汽和热段管材的规格和材料选用的情况.5百万机组高温蒸汽管道用钢的综合评析P91材料在国内外获得了广泛应用,长时持久强度数据稳定,在日本橘湾火力1号有600/610运行业绩(2000年投产);焊接工艺成熟;高温抗氧化性满足要求;国外可选生产厂家较多;但因610左
19、右许用应力较P92低约17,在本项目中导致主蒸汽管道管壁增厚约25,使机组在启停,变负荷以及煤质波动时易产生蒸汽管道的热疲劳损伤或破坏的风险,另外,壁厚增加导致高温蒸汽管道成本高于P92材料,尤其在主蒸汽管道成本上反映更为明显.因而,就百万机组主蒸汽管道而言,不建议使用该材料;但在热段管道上,较P92材料价格劣势不明显,综合技术因素,建议积极考虑使用P91材料.46锅炉技术第l2卷P92材料的长时蠕变数据尚不够完善,后期仍存在持久强度作进一步调整的可能性.国外电厂运行数据亦有限;焊缝的脆性问题需要关注;但相比较于其他种材料而言,在6l0左有时拥有最高的许用应力,可以使主蒸汽管道壁厚减薄,使整体
20、成本,尤其是主蒸汽成本较其他材料具备优势,同时降低了蒸汽管道热疲劳损伤或破坏的风险;另外,P92材料供应渠道较为充分,生产厂家较多.故建议在主蒸汽管道上选用P92材料,热段管道上亦可考虑使用.E91l和P122的持久强度数据经过重新评估以后,其许用应力较之于P9l而言,优势已不明显;虽然两者的高温抗氧化性满足要求.尤其Il22材料拥有更好的高温抗氧化性能力,但二者焊接性能尤其是Pl22材料焊接难度更大;材料价格昂贵;闰外机组运行业绩和时问有限;供应上可选择的范罔有限.故百万机组四大管道的选用上可以暂不考虑p122材料和E911材料.关于E91l和Pl22材料的问题.笔者曾专与欧洲T厂的技术I:
21、程师进行沟通,得到如下信息:Pl22材料【大1含有高达3()的铁素体.I大1而管材在加T制造及焊接和弯制巾存在较大的技术难度.目前仅在日本有应用.欧洲无应H】业绩;而E911材料是欧洲联合开发的成果,原作为P91和P92的备选材料,但2005年发现600tIl的l0小时持久强度低丁P92材料的数据.参考文献:L1霄光庭.龚-贤.超越1机绀I儿人僻道材质的选择L.热机技术.2OO6(3).12陈瑞兜.超超IIfi界机ft1.汽水系统的没汁特r分析Ll1.;I乜技术.2008(2).31松林.超超临界火电机封iPq大能道选材分析L1.热机技术.2005(3).AnalysisoftheSteelM
22、aterialsUsedfortheHighTemperatureTubeof1000MWUItraSuppercriticalClassUnitXUDaiwie.YUHai一1ian.WUFeiwen(1.ChinaNationaIWaterResourcesIn(ElectricPowerMaterialsandF.quitment【,().Itd2.ThermalIowerResearcl1Inslitu1c.Xian710032,China)Keywords:ultrasupercriticalclassunit;allowablestress;hightemperatLIreStea
23、l1tuI)eAbstract:Asforthecriticalpointforthehightemperaturetubesteelmaterialof1000MWultrasupercriticalclassunit,thesteelmaterialsbasicallyareP91.p122.E9l1andP92inthepresentlyhightemperaturetubeswhichwereutilizedinabuildingorstartedproductionl000MWUnit.()nthebaseofthelatesttestingdataandresearchingres
24、ulttOtheabovementionedfourtypessteel,forthesampleoftheWaigaoqiaoPhaseUI1000MWunitproject,asviewedfromthetechniqueandeconomics,the4typesofsteelmaterialswerecompared,analyzedanddemonstratedinthisarticle.Aswhileas,theopinionandsuggestionofthisarticlewereraisedforthehightemperaturesteamtubematerialsusedonthe1000MWIJnit.
