超超临界火电机组高温再热蒸汽管道选材分析

桑 波

中国水利电力物资有限公司

据报道，截至2011年12月，我国整体装机容量达到10.5亿千瓦，其中煤电占比高达72%，与世界范围内电力结构中煤电占比40.5%相比，高出近一倍。在全球日益关注温室气体排放、重视节能降耗且煤炭资源日趋紧张的大背景下，发展大容量超超临界机组将是我国电力领域提高火力发电效率、节约一次能源、改善生态环境、降低发电成本的必然趋势。未来必将通过上大压小、改（扩）建等方式，使更多大容量火力发电机组投入运行，取代原有的低效率、高污染的小机组。超超临界机组相对超临界机组蒸汽温度和压力参数的提高对关键部件材料提出了更高、更苛刻的要求，仅针对四汽管道系统而言，管道材料的选择将对机组运行的经济性和安全性产生重要的影响。

1 超超临界机组的定义及优势

火电厂超临界机组和超超临界机组指的是锅炉内工质的压力。锅炉内的工质都是水，水的临界压力是：22.115MPa/374℃；在这个压力和温度时，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的临界点，炉内工质压力低于这个压力就叫亚临界锅炉，大于这个压力就是超临界锅炉。

目前常规的超临界机组蒸汽参数一般为24.2MPa/538℃/566℃或24.2MPa/566℃/566℃。超超临界机组是相对于常规超临界机组的蒸汽参数而言的。通常把蒸汽压力高于27MPa的超临界机组称为超超临界机组。超超临界燃煤发电技术是一种更先进、更高效的发电技术，它比超临界机组的热效率高出约4%，与常规燃煤发电机组相比优势就更加明显。超超临界机组也称为高效超临界机组。

2 高温蒸汽管道的工作要求

与常规燃煤发电机组相比，超超临界机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料，需面临更高压力和更高温度的考验，还要承受周期性变化的载荷和热应力，即低循环疲劳载荷的作用。这种工作环境要求管道材料应具有足够高的蠕变强度、持久强度和持久塑性，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。

高温蒸汽管道通常以10万小时或20万小时的高温持久强度作为强度设计的主要依据，再用蠕变极限进行校核。持久强度反映材料抗持久破坏的能力，蠕变极限反映材料抗长期变形的能力。材料的热强性能高，不仅可提高联箱和管道运行安全性，而且可减少因管壁过厚给加工工艺带来的困难。一般来说，适合于高温蒸汽管道的材料，其在工作环境下的10万小时蠕变应力值应达到90MPa～100MPa。

3 高温蒸汽管道主要材料

铁素体耐热钢适用于高温蒸汽管道，此类材料低的热膨胀系数和高的热导率允许较高的启停速率而不会导致严重的热疲劳损伤。铁素体耐热钢主要有P91钢、P92钢、P122钢和E911钢。

P91钢属改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢，具有热强性好、强韧性高、淬透性好、可焊性良、热导率高、热膨胀系数小等特点，抗腐蚀性和价格均居于P22钢和TP304H不锈钢之间。优良的综合性能使P91钢成为世界上众多高蒸汽参数发电机组主蒸汽管道及再热热段管道的主选材料之一。1983年被纳入ASME锅炉与压力容器规范（SA335），1995年以“10Cr9Mo1VNb”牌号正式列入国家标准GB 5310-1995。

P 9 2钢是在P 9 1钢的基础上加入1.5%～2%的W，降低了Mo含量，从而大大增强了固溶强化的效果，使用温度则可达到620℃，具有更高的高温强度和蠕变性能，由此在设计中可以采用更薄的壁厚从而减轻锅炉和管道部件的重量。P92钢抗腐蚀性和抗氧化性能于其他含9%Cr的铁素体钢相当，热传导和热膨胀系数远优于奥氏体不锈钢，抗热疲劳性也强于奥氏体不锈钢。1995年被列入ASTM A335标准，1996年被列入ASME SA335标准。

P122钢是在德国牌号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增加，具有更高的热强性和耐腐蚀性。同时尤其是由于含炭量的减少，使得焊接冷裂敏感性也有所改善。

E911钢是在P91钢之后由欧洲多国研究机构研究设计的，其化学成分与P92钢相似，机械性能也基本相近。德国曼内斯曼公司的持久试验已做到9万小时，在600℃下外推10万小时的持久强度为118MPa，远优于P91钢的90Mpa。E911钢高温蠕变断裂强度超过TP300系的奥氏体不锈钢，具有优良的断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性、可焊性，具有十分广阔的应用前景。

目前，将P92钢作为超超临界火电机组主蒸汽管道材料的首选已得到国内外专家的一致认可，但高温再热蒸汽管道材料的选择问题却没有定论。

表1 P91和P92钢的高温再热蒸汽管道的管径和壁厚对比

4 P91钢和P92钢对比

从国外超超临界火电机组高温再热蒸汽管道的使用及运行经验看，P122钢使用业绩相对较多，技术上相对安全，但在国内使用经验较少，因此在现场焊接上较难把握。E911钢目前价格较高，考虑到商务因素，对稍晚一些的工程才会显现出竞争力，可继续保留作为一个选择。基于上述因素，P91钢和P92钢目前仍为国内超超临界火电机组再热热段蒸汽管道使用最多的材料。根据国内超（超）临界火电机组运行参数，对采用P91钢和P92钢的高温再热蒸汽管道的管径和壁厚进行了一个对比计算，计算结果见表1。

5 结语

P91钢的性能和特点已被大家所熟悉，其焊接工艺也已被我国电力设备供应商和施工单位广泛掌握，并建立了一套完整的工艺控制方法和检验标准，在超（超）临界火电机组主蒸汽及再热热段蒸汽管道得到广泛的应用。从价格因素考虑，P91钢单重价格比P92钢便宜10%～30%。但随着火电机组蒸汽压力及温度的逐渐升高，P92钢更为优良的高温性能体现出优势越来越明显。P122钢和E911钢两种材料目前在国内使用业绩较少，但今后定会显现出竞争力。

综合以上多方面因素，建议目前设计进行中的超超临界火电机组高温再热蒸汽管道按P92、P91、P122、E911的顺序进行选择。

[1]武春霖.国产化1000MW级超超临界机组高温蒸汽管道选材建议.发电设备，2005，No.2，104-107

[2]武秀峰.超超临界火电机组四大管道选材分析.电力科学与工程，2008，24(10)，73-78

[3]张振，张彦丽.超超临界机组主蒸汽管道选材比较.中国科技信息，2009，19，157-158