超超臨界百萬機(jī)組高溫蒸汽管道材料的選用分析

1、超超臨界百萬機(jī)組高溫蒸汽管道材料的選用分析第42卷第2期2011年3月鍋爐技術(shù)boiiertechnoiogyvo1.42,no.2mar.,2o1l文章編號(hào):cn311508(2011)03004106超超臨界百萬機(jī)組高溫蒸汽管道材料的選用分析徐大偉,于海田,吳非文(1.中國(guó)水利電力物資有限公司,北京100045;2.西安熱研究院,陜西西安710032)關(guān)鍵詞:超超臨界;許用應(yīng)力;高溫蒸汽管道摘要:百萬超超臨界機(jī)組高溫管道用鋼設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選擇合適的材料,目前國(guó)內(nèi)外已投產(chǎn)或在建的百萬機(jī)組高溫管道用鋼基本以p91,p122,e911和p92材料為主.以上4個(gè)鋼種的最新試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究成果為依據(jù),以

2、2005年開t的上海外高橋電廠三期百萬機(jī)組項(xiàng)目為例,從技術(shù)角度和經(jīng)濟(jì)角度對(duì)以上4種材料進(jìn)行比較分析論證,并針對(duì)百萬機(jī)組高溫蒸汽管道材料的選用提出了自己的意見和建議.中圖分類號(hào):tk225文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a0前言臨界百萬機(jī)組蒸汽管道材料的使用提供參考.國(guó)內(nèi)超超臨界百萬機(jī)組的設(shè)計(jì)和建設(shè)初始于華能玉環(huán)電廠,后期國(guó)內(nèi)百萬機(jī)組高溫蒸汽管道材料的選用基本沿襲玉環(huán)電廠的選材方式(即主蒸汽管道選用p92材料,而熱段管道選用p92或者p91材料).2005年以來,根據(jù)超超臨界機(jī)組材料性能研究的最新進(jìn)展,包括歐洲合作蠕變委員會(huì)(簡(jiǎn)稱eccc)等機(jī)構(gòu)對(duì)p92,e911及p122等材料持久強(qiáng)度進(jìn)行了的最新評(píng)價(jià),這為百萬機(jī)

3、組高溫蒸汽管道材料的選用提出了新的課題.本文的目的,在上海外高橋電廠三期21000mw機(jī)組主蒸汽和再熱熱段管道材料的的選取進(jìn)行分析和論證,以便為國(guó)內(nèi)日漸增多的超超1百萬機(jī)組高溫蒸汽管道用鋼的選材原則百萬超超臨界機(jī)組高溫管道用鋼設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選擇合適的材料,一般需要從蠕變強(qiáng)度,抗高溫蒸汽氧化性能,抗熱疲勞性能,長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性和焊接性能等幾方面加以考慮.2百萬機(jī)組高溫蒸汽管道用鋼比較分析目前,國(guó)外用于運(yùn)行參數(shù)為25.030.0mpa,600/600oc等級(jí)機(jī)組的高溫蒸汽管道材料有a335p91,nf616(a335p92),hcml2a(a335p122),e911,他們是在相同的思路下研制開發(fā)的,

4、具有相似的基本特點(diǎn).圖1l1為912cr鋼的研發(fā)過程.600100000h持久強(qiáng)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圖1912cr鋼的研發(fā)收稿日期:2o100125作者簡(jiǎn)介:徐大偉(1973),男,碩士,主要從事高溫金屬材料的銷售和研發(fā)工作.鍋爐技術(shù)第,42卷以下將就此4種材料的化學(xué)成分,許用應(yīng)力,焊接性能,長(zhǎng)時(shí)組織穩(wěn)定性,高溫抗氧化性和供應(yīng)等方面分別

5、進(jìn)行比較和分析.4種材料的化學(xué)成分比較表l:.從各白化學(xué)成分中可以看出p9l,p92和e9l1是9%cr鋼的變質(zhì)鋼,而pl22為12cr2.1化學(xué)成分的變質(zhì)鋼.表1化學(xué)成分比較表從各自化學(xué)成分巾可以看出p91,p92和e911是9cr鋼的變質(zhì)鋼,而p122為12cr的變質(zhì)鋼.2.2許用應(yīng)力2.2.1tp91鋼在日本,p91鋼的最高使用溫度超過了600(橘灣火力l號(hào));在瓦盧瑞克一曼內(nèi)斯曼公司關(guān)于p91材料的手冊(cè)巾,認(rèn)為其適用于鍋爐外部的零部件(如管道和集箱),蒸汽溫度高達(dá)6lo(1130.f)左右.asme規(guī)范巾列明rp91材料的許用應(yīng)力見表2.表2t/p91鋼許用應(yīng)力注:畦厚>3”時(shí)為

6、66mpa.2.2.2p122和p92鋼asme規(guī)范巾p92和pl22的數(shù)據(jù)是日本新日鐵公司和住友公司根據(jù)短時(shí)間蠕變斷裂數(shù)據(jù)外推出來的.歐洲對(duì)此外推數(shù)據(jù)提質(zhì)疑,按照歐洲的外推數(shù)據(jù),這兩種鋼與e911相比強(qiáng)度上僅僅略占優(yōu)勢(shì),而且根據(jù)他們對(duì)p92較長(zhǎng)時(shí)間的研究結(jié)果,p92,p122在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行中強(qiáng)度降低幅度比e911大.2004年時(shí)日本發(fā)生pl22爆管事故,應(yīng)日本政府要求,2005年日本高鉻鋼許用應(yīng)力委員會(huì)(簡(jiǎn)稱shc)對(duì)p122材料的許用應(yīng)力重新進(jìn)行了評(píng)估,其許用應(yīng)力變化見表3j.表3shc對(duì)kasus410j3tp(p122)重新評(píng)估前后的許用應(yīng)力值eccc于2005年對(duì)p92持久強(qiáng)度值進(jìn)行

7、_r重新評(píng)估并給m了最新的許用應(yīng)力值見表4:表4p92設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的變遷mpa溫度/asmecc2179ecc(l999eccc20()5608()600610620650l20.2l05.88879.470.947.212010(j.78273.364.742.7l】0.7.77.366.75837.32.2.3e9l1鋼同p92材料一樣,eccc2005的試驗(yàn)結(jié)果表明e911在600左右時(shí)持久強(qiáng)度也有較大的降低,其主要原因同p92,p122類似均是f_i于長(zhǎng)時(shí)間蠕變數(shù)據(jù)的出現(xiàn),反映出運(yùn)行巾金相組織的老化對(duì)蠕變性能產(chǎn)生了較大的影響,而在早期的強(qiáng)度數(shù)據(jù)評(píng)估中過多采用短時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù),在延長(zhǎng)時(shí)間

8、的試驗(yàn)中蠕變機(jī)制發(fā)生了變化.eccc丁2005年對(duì)e91l鋼10h持久強(qiáng)度的進(jìn)行了重新砰估,其持久強(qiáng)度和據(jù)此推算的許用應(yīng)力值見表5.表5e911持久強(qiáng)度和許用應(yīng)力值mpa第2期徐大偉,等:超超i界百萬機(jī)組高溫蒸汽管道材料的選用分析基于目前國(guó)內(nèi)超超臨界機(jī)組主蒸汽和熱段管道的取用溫度都在600610左右,可以對(duì)以上4種材質(zhì)在此溫度區(qū)間時(shí)的許用應(yīng)力作一比較,見下表6.表60種cj.vjkjla和1時(shí)的許用應(yīng)力值”溫度/p91p92e911p12260065.2561.575.3365.36860857.1156.3668.4358.4260.9661057.0455.0766.756.759.2注:

9、為壁厚<3”時(shí)數(shù)據(jù).根據(jù)以上對(duì)p91,p92,e911和p122材料設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的分析,可以看出.(1)由于長(zhǎng)時(shí)間蠕變數(shù)據(jù)的出現(xiàn),p92,e911和pl22材料的許用應(yīng)力的評(píng)估值較初始值有大幅度降低;(2)在600610范圍內(nèi),p91,e911和p122材料許用應(yīng)力明顯低于p92材料.而在此溫度范圍內(nèi),e911和p122材料與p91材料相比,許用應(yīng)力幾乎沒有任何優(yōu)勢(shì),尤其是在”610,壁厚小于3”時(shí),e911許用應(yīng)力甚至小于p91許用應(yīng)力.2.3焊接性能對(duì)p9l材料而言,無論在國(guó)外還是國(guó)內(nèi).其均得到了廣泛的應(yīng)用,因而其焊材研制以及焊接工藝和技術(shù)的開發(fā)最為成熟;而對(duì)于后者而言,作為新材料,

10、如何降低焊縫的脆性是重要的技術(shù)問題,需要從焊材和工藝方面進(jìn)行解決,w的加入使得p92和p122比p91和e911需要更長(zhǎng)的焊后熱處理時(shí)間來保證焊縫韌性;另外,高的cr含量也使p122材料的焊接難度明顯大于9cr鋼.2.4長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性此4種鋼材均為cr鐵素體耐熱鋼,供貨狀態(tài)為回火,在高溫運(yùn)行中其組織結(jié)構(gòu)變化主要包括位錯(cuò)密度降低和同溶w析出形成iaves相等,前者會(huì)使高溫強(qiáng)度降低,固溶w的減少也降低高溫強(qiáng)度,但析出的iayes相可適當(dāng)彌補(bǔ)w的變化所帶來的強(qiáng)度影響,然而iaves相的析出會(huì)導(dǎo)致脆性的增加.在3種含w的耐熱鋼中.p122因含有1.0的cu會(huì)促使iaves相的析和長(zhǎng)大,在長(zhǎng)期運(yùn)行中穩(wěn)定性最

11、差,e9ll和p92接近.現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)表明,運(yùn)行10000h后,p122沖擊韌性降低最明顯,p92和e91l也明顯降低,p91沖擊韌性變化最少.2.5高溫抗氧化性能耐熱鋼的抗氧化性能主要取決于cr租si的含量.p9l,p92和e91l都是9cr鋼,其抗氧化性能相近,p122是12cr鋼,其抗氧化能力有所提高.在超超臨界機(jī)組中,由于蒸汽溫度的提高,蒸汽側(cè)氧化和氧化層剝落的問題比亞臨界和超臨界機(jī)組嚴(yán)重,同外的超超臨界機(jī)組運(yùn)行中有因?yàn)閲?yán)重的蒸汽氧化問題被迫降低參數(shù)運(yùn)行的例子,但主要存在于過熱器和再熱器,對(duì)于600左右運(yùn)行的主蒸汽管道和再熱熱段管道,由于金屬壁溫波動(dòng)不頻繁,氧化層剝落的可能性較小,而且

12、運(yùn)行一段時(shí)間后氧化速度逐漸下降達(dá)到平衡.岡此9cr鋼已基本可以滿足抗蒸汽氧化的性能要求.2.6供應(yīng)問題目前,超超臨界機(jī)組主蒸汽和再熱熱段所需p92和p91材料可南美國(guó),日本住友金屬以及歐洲公司供應(yīng),而對(duì)于p122和e91l材料而言,分別只有ft本和歐洲一家工廠可以供應(yīng).3百萬機(jī)組高溫蒸汽管道用鋼的經(jīng)濟(jì)性分析本節(jié)以2005年動(dòng)工的國(guó)內(nèi)某百萬機(jī)組項(xiàng)目為例,對(duì)高溫蒸汽管道不同選擇方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較和分析.其中p92,p9l,e91l的價(jià)格資料源于本項(xiàng)目2005年四大管道招標(biāo)時(shí)外商報(bào)價(jià)資料,本項(xiàng)目未針對(duì)p122材料報(bào)價(jià).以下成本價(jià)格為單臺(tái)機(jī)價(jià)格.3.1使用p91材料時(shí)高溫蒸汽管道成本價(jià)格見表7表7選

13、用p91材料時(shí)的成本價(jià)格44鍋爐技術(shù)第42卷3.2使用p92材料時(shí)高溫蒸汽管道成本價(jià)格見表8表8選用p92材料時(shí)的成本價(jià)格3.3使用e911材料時(shí)高溫蒸汽管道成本價(jià)格見表9表9選用e911材料時(shí)的成本價(jià)格注:p92材料價(jià)格和p91材料價(jià)格為美國(guó)工廠報(bào)價(jià)報(bào)價(jià),歐洲t廠同種材質(zhì)較此價(jià)格高約2o;e911材料價(jià)格為歐洲工廠報(bào)價(jià),因?yàn)槊绹?guó)t廠不生產(chǎn)此材質(zhì)管材.基于以上數(shù)據(jù),可以對(duì)選用不同材料時(shí)的主蒸汽管道,熱段管道價(jià)格進(jìn)行比較和分析,見表l0.表10價(jià)格比較表根據(jù)該項(xiàng)目當(dāng)時(shí)的報(bào)價(jià)情況,可以看出,就整套機(jī)組四大管道經(jīng)濟(jì)性而言,p92材料管材價(jià)格較p91材料管材具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)(雖然p91材料的重量單價(jià)較p9

14、2材料重量單價(jià)便宜,但因?yàn)樵S用應(yīng)力的問題,導(dǎo)致p91材料管壁較p92材料管壁厚,故折合到長(zhǎng)度價(jià)格時(shí)亦高于p92材料),每臺(tái)機(jī)組可節(jié)省進(jìn)口成本約loo萬美金.但相比較而言,p92材料的價(jià)格優(yōu)勢(shì)在壁厚較大的主蒸汽管道上體現(xiàn)更為明顯(較p91材料低l8.34),而對(duì)于壁厚較薄的熱段管材而言,p92的價(jià)格優(yōu)勢(shì)有第2期徐大偉,等:超超臨界百萬機(jī)組高溫蒸汽管道材料的選用分析45限(較p91材料低5.52).對(duì)于e911材料而言,無論是主蒸汽管道還是熱段管道,其價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于p92和p91材料價(jià)格.p122材料價(jià)格大致與e911相仿或略高一些.值得一提的是,雖然以上分析基于2005年價(jià)格數(shù)據(jù),但從目前掌握的材

15、料價(jià)格而言,幾種材料間,尤其是p92材料和p91材料間重量單價(jià)(即美元/噸)的比例關(guān)系變化不大,因而可以以此項(xiàng)目大致分析其他同類型機(jī)組在選用不同材料時(shí)的價(jià)格關(guān)系.但本項(xiàng)目中選用了彎管,其他項(xiàng)目中一般選用彎頭,會(huì)對(duì)整體造價(jià)和這種比例關(guān)系造成一定影響.從供應(yīng)角度而言,目前,超超臨界機(jī)組主蒸汽和再熱熱段所需p92和p91材料可由美國(guó),日本住友金屬以及歐洲公司供應(yīng),而對(duì)于p122和e911材料而言,分別只有日本和歐洲一家可以供應(yīng).4國(guó)內(nèi)外超超臨界機(jī)組鋼種應(yīng)用情況4.1日本5日本上世紀(jì)9o年代以來大量在超超臨界機(jī)組中使用p91鋼,在原町電廠中使用溫度達(dá)到600/600,在2000年投運(yùn)的橘灣火力l號(hào)電廠

16、1050mw/600/610超超臨界機(jī)組的鍋爐過熱器和再熱器出口聯(lián)箱上首次使用了p122鋼,具體應(yīng)用情況見表11.表11日本2000年以來投產(chǎn)的usc機(jī)組使用的鋼管材料電廠名稱墓蒸度籌日本沒有采用p92作為超超臨界機(jī)組主蒸汽和再熱熱段管道的一個(gè)原因是開發(fā)p92的新日鐵公司沒有生產(chǎn)大口徑無縫管的能力,而住友金屬還沒有開始商業(yè)生產(chǎn)p92鋼.4.2歐洲歐洲的丹麥和德國(guó)的機(jī)組較多應(yīng)用了e911鋼,另外試驗(yàn)性的應(yīng)用了p92鋼.歐洲認(rèn)為p91材料不適合于作為更高溫度下的主蒸汽材料.表l2列舉了一些應(yīng)用新型含w鋼的電廠.表12新型含w鋼在歐洲的應(yīng)用電廠名稱管道尺寸喜蒿vestkraft3號(hào)p92id2403

17、925/5601992nordiyllandsvaeketp92p122idl604529/582l996schkopaub號(hào)e911id550247/5601996staudinger1號(hào)e9l1id2o12221.3/5401996skaerbaek3號(hào)e911id23o6o29/5821996gkkie1p92id480285.3/5451997niederaussemke911id2505526.5/5802002從歐洲和日本電廠鐵素體鋼應(yīng)用情況來看,歐洲較早采用了p92和e911鋼,而在日本,雖然機(jī)組溫度普遍高于歐洲機(jī)組,但目前僅限于p91和p122鋼的應(yīng)用.總體說來,p122,e9

18、11尤其是p92還沒有得到廣泛的應(yīng)用,投運(yùn)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間有限,積累的運(yùn)行性能方面的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)不是很多.4.3國(guó)內(nèi)目前,國(guó)內(nèi)亞臨界和超臨界機(jī)組主蒸汽管道和再熱熱段管道普遍選用p91材料,但對(duì)于超超臨界機(jī)組而言,已投產(chǎn)和規(guī)劃中的項(xiàng)目主蒸汽管道無一例外選用了p92材料,而熱段管道部分為p92材料,部分為p91材料.表13為國(guó)內(nèi)目前部分百萬機(jī)組主蒸汽和熱段管材的規(guī)格和材料選用的情況.5百萬機(jī)組高溫蒸汽管道用鋼的綜合評(píng)析p91材料在國(guó)內(nèi)外獲得了廣泛應(yīng)用,長(zhǎng)時(shí)持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)穩(wěn)定,在日本橘灣火力1號(hào)有600/610運(yùn)行業(yè)績(jī)(2000年投產(chǎn));焊接工藝成熟;高溫抗氧化性滿足要求;國(guó)外可選生產(chǎn)廠家較多;但因610左

19、右許用應(yīng)力較p92低約17,在本項(xiàng)目中導(dǎo)致主蒸汽管道管壁增厚約25,使機(jī)組在啟停,變負(fù)荷以及煤質(zhì)波動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生蒸汽管道的熱疲勞損傷或破壞的風(fēng)險(xiǎn),另外,壁厚增加導(dǎo)致高溫蒸汽管道成本高于p92材料,尤其在主蒸汽管道成本上反映更為明顯.因而,就百萬機(jī)組主蒸汽管道而言,不建議使用該材料;但在熱段管道上,較p92材料價(jià)格劣勢(shì)不明顯,綜合技術(shù)因素,建議積極考慮使用p91材料.46鍋爐技術(shù)第l2卷p92材料的長(zhǎng)時(shí)蠕變數(shù)據(jù)尚不夠完善,后期仍存在持久強(qiáng)度作進(jìn)一步調(diào)整的可能性.國(guó)外電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)亦有限;焊縫的脆性問題需要關(guān)注;但相比較于其他種材料而言,在6l0左有時(shí)擁有最高的許用應(yīng)力,可以使主蒸汽管道壁厚減薄,使整體

20、成本,尤其是主蒸汽成本較其他材料具備優(yōu)勢(shì),同時(shí)降低了蒸汽管道熱疲勞損傷或破壞的風(fēng)險(xiǎn);另外,p92材料供應(yīng)渠道較為充分,生產(chǎn)廠家較多.故建議在主蒸汽管道上選用p92材料,熱段管道上亦可考慮使用.e91l和p122的持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)經(jīng)過重新評(píng)估以后,其許用應(yīng)力較之于p9l而言,優(yōu)勢(shì)已不明顯;雖然兩者的高溫抗氧化性滿足要求.尤其il22材料擁有更好的高溫抗氧化性能力,但二者焊接性能尤其是pl22材料焊接難度更大;材料價(jià)格昂貴;閏外機(jī)組運(yùn)行業(yè)績(jī)和時(shí)問有限;供應(yīng)上可選擇的范罔有限.故百萬機(jī)組四大管道的選用上可以暫不考慮p122材料和e911材料.關(guān)于e91l和pl22材料的問題.筆者曾專與歐洲t廠的技術(shù)i:

21、程師進(jìn)行溝通,得到如下信息:pl22材料【大1含有高達(dá)3()的鐵素體.i大1而管材在加t制造及焊接和彎制巾存在較大的技術(shù)難度.目前僅在日本有應(yīng)用.歐洲無應(yīng)h】業(yè)績(jī);而e911材料是歐洲聯(lián)合開發(fā)的成果,原作為p91和p92的備選材料,但2005年發(fā)現(xiàn)600til的l0小時(shí)持久強(qiáng)度低丁p92材料的數(shù)據(jù).參考文獻(xiàn):l1霄光庭.龔-賢.超越1機(jī)紺i兒人僻道材質(zhì)的選擇l.熱機(jī)技術(shù).2oo6(3).12陳瑞兜.超超iifi界機(jī)ft1.汽水系統(tǒng)的沒汁特r分析ll1.;i乜技術(shù).2008(2).31松林.超超臨界火電機(jī)封ipq大能道選材分析l1.熱機(jī)技術(shù).2005(3).analysisofthesteelmaterialsusedforthehightemperaturetubeof1000mwuitrasuppercriticalclassunitxudaiwie.yuhai一1ian.wufeiwen(1.chinanationaiwaterresourcesin(electricpowermaterialsandf.quitment【,().itd2.thermaliowerresea