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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
6、达到 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
7、作用， 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
8、机组的蒸汽参数提高得较多，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
9、当时，当蒸汽温度超过 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
10、得到广泛使用。4.2.2 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-
11、1）。1982年橡树岭国家实验室进行了对比试验，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， P9
12、1 钢不能满足长期安全运行的要求。另外调峰任务重的机组，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
13、 X20CrMoV121 的基础上改进的 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
14、料而推广使用。260表 4-1部分铁素体/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
15、应用日本除了在锅炉安装试验管段，没有采用 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100024.5600/60019
16、98-07P91橘湾四国电力70024.1566/5932000-07P91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70024.1593/5932003-07HCM12A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
