超(超)临界机组四大管道国产化现状和质量概述

肖国华，王学民，马忠于，田晓，曹剑锋，李益民

(1.西安热工研究院有限公司，西安市，710043;2.陕西清水川发电有限公司，陕西省榆林市，710075)

0 引言

随着经济的快速发展，国内对能源的需求不断增加，同时，环保要求也不断提高。国内现有的能源结构决定了以燃煤发电为主的火力发电格局在很长一段时间内不会改变，因此发展大容量、高参数机组，特别是超超临界机组将是一个必然趋势，可提高发电效率、节约一次能源、改善环境、降低发电成本。截至2009年底，我国运行中的1 000 MW超超临界机组已有21台，在建的1 000 MW超超临界机组12台，我国已成为世界上拥有超超临界机组最多的国家［1］。

火电机组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(冷段)和高压给水管道。四大管道造价占项目总投资的5%～8%。四大管道长期依赖进口，价格、工期进度等因素往往受到制约。2005年开始，国内多家企业开始了四大管道的国产化工作，国产P91钢最初是供给锅炉厂做锅炉管道用，之后逐渐开始用于主蒸汽管道和高温联箱。

1 四大管道国内生产情况

1.1 P91钢管

P91钢是用V、Nb元素进行微合金化并控制N元素含量的铁素体钢，具有较高的高温强度、优良的抗氧化性能和良好的工艺性能，在大型超临界火电机组上得到广泛应用，并有20多年的运行经验，是比较成熟的耐热钢种。为满足国内建设超超临界机组的需要，国家在“八五”期间就开始推进P91钢的国产化工作，攀钢集团成都无缝钢管厂(以下简称攀成钢)、上海宝钢钢管公司均生产过P91钢管。目前，国内能够生产P91钢管的企业主要有6家，分别是北方重工集团有限公司、武汉重工铸锻有限责任公司、攀成钢、扬州诚德钢管有限公司、衡阳华菱钢管有限公司和四川三洲特种钢管有限公司。各家采购钢坯来源和生产工艺如表1所示。

北方重工采用的是电炉冶炼+LF炉外精炼+VD真空除气生产流程。生产厚壁P91无缝钢管，早期采用的是锻造镗孔的工艺，材料利用率较低;后期投产的36 000 t垂直挤压机，是目前世界上最大的垂直挤压机，超越了美国威曼－高登的35 000 t垂直挤压机，现在北方重工已可以用垂直挤压工艺生产厚壁无缝钢管。采用挤压工艺生产的无缝钢管在挤压过程中处于三向压应力状态，工件组织致密;适合加工难变形金属材料，可生产双金属材料和异性截面钢管;尺寸和形状精度高，材料利用率高，工艺流程短。北方重工P91钢管已向华能平凉、营口、济宁、白杨河等电厂供货。

表1 国内主要P91钢管生产企业Tab.1 Main manufacturers of P91 steel pipes in China

武汉重工的钢管生产线于1995年底建成，并正式开始规模生产，设计生产能力为20 000 t/a，制管工艺采用穿孔拉伸法，与日本住友、德国VM公司工艺相近。武汉重工可以生产口径较大、壁厚较薄的P91无缝钢管，管径最大为ID 914 mm×38 mm。

攀成钢是国内最早开展P91国产化工作的企业，采用皮尔格周期式轧制工艺生产钢管，其产品已向华能营口、白杨河电厂供货。

1.2 P92钢管

北方重工已完成了P92钢管的试制工作，拟向华能南通电厂1 000 MW超超临界机组四大管道国产化示范工程供货。扬州诚德也完成了P92钢管的试制工作，性能评定试验正在进行中。

1.3 WB36钢管

WB36钢是在碳锰钢的基础上添加Ni、Cu、Mo等合金元素形成的，使用温度为350～400℃，是超临界机组主给水管道的首选材料。石洞口二期工程600 MW超临界机组首次引进了WB36管道，用作水冷壁集箱、对流管等部件，使用温度为465℃，最高压力为31.2 MPa［2］。上述国内钢管生产企业都可生产WB36钢管，其中攀成钢于1993年开始研制WB36无缝钢管，采用工艺为电弧炉冶炼+ERS精炼+周期轧制+正火回火，其产品已应用于华能平凉、营口、济宁、白杨河电厂;武汉重工的产品已应用于华能平凉电厂。

2 国产管件质量概况

四大管道国产化初期出现了较多的质量问题，主要表现为化学成分不满足标准要求，金相组织不合格，屈服强度和抗拉强度偏低等。经过不断地探索和工艺调整，目前国产四大管道已基本上满足相关标准和规范的要求，在某些指标上甚至优于国外同类产品。

表2为国内企业生产的国产P91管道的化学成分比较。P91钢C含量低而N含量高，同时Al含量也有限制，因此冶炼时的脱氧受到限制，导致气体含量增加，冶炼问题较多。过高的N含量会形成氮化物夹杂，Al、Ti在钢中会和N形成AlN、TiN硬质相，对材料塑性不利;S元素会弱化晶界并导致蠕变脆化，严重削弱P91钢的高温持久强度和蠕变性能，因此冶炼过程中应注意N元素的合金化和杂质元素S、P的去除，同时应严格控制脱氧Al量，严格控制弱化晶界的五害元素含量。由表2可知，各厂家在化学成分控制上，基本都能满足ASME规范要求。在C、S、P元素的控制上，北方重工和武汉重工做得较好［3-6］。

表2 国产P91钢管化学成分比较Tab.2 Comparison of chemical composition on domestic P91steel pipe %

WB36钢中添加Nb元素使晶粒细化，并通过Cu析出物进行沉淀强化，为避免在热加工过程中出现脆性，需将Cu/Ni比大致控制在1/2［7］。表3给出了几家国产WB36钢管的化学成分比较，各家企业生产的WB36钢管化学成分基本满足EN10216－2技术条件要求。攀成钢将Cr含量控制得较低(﹤0.1%)，其余几家企业包括德国的VM 公司，Cr含量一般在0.2% ～0.3%，而EN标准只对Cr含量上限进行了规定，并未规定下限。

对国产钢管进行室温拉伸性能和冲击功比较，数据汇总如表4所示。由表4可知，国产P91钢管基本都能满足ASME规范要求;国产WB36钢管的室温拉伸性能和冲击功均能满足相关标准要求，但普遍出现抗拉强度靠近下限的情况，因此热处理工艺仍需改进。

?

?

P91钢管金相组织为回火马氏体，采取正常热处理工艺生产的国产管道的金相组织均合格，但应注意以下问题:(1)回火过度(回火温度过高或回火时间过长)导致形成回火索氏体，板条特征不明显(图1)，这种组织对于材料的高温持久性能是有害的;(2)金相组织中δ铁素体含量超标，DL/T 438—2009《火力发电三金属技术监督规程》［8］规定，P91材料中δ铁素体含量不超过5%，δ铁素体会对材料的韧性产生不利影响;(3)不当的热处理工艺形成反常组织，无马氏体组织形态。

图1 P91钢回火过度后的金相组织(200倍)Fig.1 Over tempered metallographic structure of P91 steel

WB36钢管金相组织为贝氏体+铁素体，其中贝氏体含量不低于40%。热处理工艺对于铁素体和贝氏体的相对含量有重要影响，控制不当易出现铁素体含量超标的情况，从而导致 WB36钢强度偏低［9］。EN10216－2004给出的WB36钢的热处理工艺为:880～980℃正火+580～680℃回火，温度范围较宽。对于厚壁管道，热处理过程中要格外注意冷却速度，冷却速度过慢会形成大量的铁素体，导致强度和硬度偏低。在实际生产过程中，对壁厚不同的管道应采取不同的冷却方式(空冷、风冷或雾冷)。图2是国内外WB36管道的典型金相照片。可见，与国外管相比，国产管金相组织中铁素体含量偏多，组织均匀性也稍差。

图2 国内外WB36钢管金相组织比较(200倍)Fig.2 Comparison of metallographic structure of WB36 steel pipe between Domestic and foreign manufacturers

总的来说，国产管的化学成分、室温力学性能、金相组织等基本符合相关标准要求，但部分国产管的高温蠕变持久性能还存在一些问题，比如某厂生产的P91钢管600℃下10万h的持久强度外推值为89.4 MPa，低于规范的推荐值(93 MPa)。国产管还存在金相组织异常、晶粒不均匀、室温力学性能不稳定、管材表面缺陷等问题。

国产管在批量生产阶段经常出现质量不稳定的问题，这与生产过程中的工艺执行和质量控制有一定的关系。为保证国产管道的质量，一方面，需要生产厂家加强质量管理;另一方面，可委托独立机构进行管道生产阶段的监造。

3 四大管道国产化经济效益分析

四大管道国产化带来的经济效益是明显的，经过与同期威曼高登、曼内斯曼、日本住友等国外产品报价综合比较，首批应用国产管材的8台机组(分别应用于华能营口、平凉、济宁、白杨河电厂)，可降低成本8 000～10 000万元。

以华能平凉电厂2×600 MW机组(国产管道)和中国水电集团崇信电厂2×600 MW机组(进口管道)为例，同参数(25.4 MPa/576℃)同规格的主蒸汽主管ID431.8 mm×77 mm，美国威曼高登比北方重工价格高出29.16%;同参数主蒸汽支管ID304.8 mm×56 mm，美国威曼高登比北方重工价格高出57.73%。华能平凉电厂主蒸汽管道总长(主管235 m，支管165 m)比中水崇信电厂(主管 228 m，支管166 m)长6 m(主管长7 m，支管短1 m)，平凉电厂主蒸汽管道造价仍比崇信电厂低约1千万元。

随着国产管材的成功应用，国外产品价格一路走低。日本住友A335P91规格ID747 mm×45 mm钢管，2009年4月价格为109 500元/t，至2009年11月降为47 000元/t，降幅超过57%。德国V＆M WB36钢管，2008年9月规格OD660 mm×70 mm价格为85 000元/t，2009年7月规格OD762 mm×80 mm价格为39 000元/t，可以看出在10个月中德国 V＆M WB36钢管降幅达到54%。

4 结语

国内目前已有多家企业具备了四大管道的生产能力，产品质量已能满足相关标准要求，国产四大管道已在国内多家电厂投入使用，取得了良好的社会效益和经济效益。推动四大管道和电站金属材料的国产化，对于有效降低机组造价成本、振兴民族制造业都具有重要意义。

［1］杨富.超超临界机组管道及管件国产化的现状和展望［C］//超超临界机组管道管件国产化会议论文集，天津:中国电机工程学会，2010:1-6.

［2］郭元蓉.WB36钢热轧无缝钢管的研制［J］.钢管，2000(8):6-8.

［3］华能平凉电厂二期2×600 MW机组四大管道监造技术报告［R］.西安:西安热工研究院有限公司，2010.

［4］华能营口热电厂2×330 MW新建机组四大管道监造技术报告［R］.西安:西安热工研究院有限公司，2010.

［5］华能济宁电厂2×350 MW燃煤机组四大管道监造技术报告［R］.西安:西安热工研究院有限公司，2010.

［6］华能白杨河电厂2×300 MW机组四大管道监造技术报告［R］.西安:西安热工研究院有限公司，2010.

［7］瓦卢瑞克－曼内斯曼钢管公司.T(P)91和T(P)92钢手册［M］.瓦卢瑞克－曼内斯曼公司，2005.

［8］DL/T 438—2009火力发电厂金属技术监督规程［S］.北京:中国电力出版社，2009.

［9］超超临界机组常用新型耐热钢硬度与其它力学性能关系的试验研究［R］.西安:西安热工研究院有限公司，2010.