超超臨界百萬機組高溫蒸汽管道材料的選用分析

1、超超臨界百萬機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:cn311508(2011)03004106超超臨界百萬機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:百萬超超臨界機組高溫管道用鋼設(shè)計的關(guān)鍵是選擇合適的材料,目前國內(nèi)外已投產(chǎn)或在建的百萬機組高溫管道用鋼基本以p91,p122,e911和p92材料為主.以上4個鋼種的最新試驗數(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組項目為例,從技術(shù)角度和經(jīng)濟角度對以上4種材料進行比較分析論證,并針對百萬機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:tk225文獻標識碼:a0前言臨界百萬機組蒸汽管道材料的使用提供參考.國內(nèi)超超臨界百萬機組的設(shè)計和建設(shè)初始于華能玉環(huán)電廠,后期國內(nèi)百萬機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)超超臨界機組材料性能研究的最新進展,包括歐洲合作蠕變委員會(簡稱eccc)等機構(gòu)對p92,e911及p122等材料持久強度進行了的最新評價,這為百萬機

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機組主蒸汽和再熱熱段管道材料的的選取進行分析和論證,以便為國內(nèi)日漸增多的超超1百萬機組高溫蒸汽管道用鋼的選材原則百萬超超臨界機組高溫管道用鋼設(shè)計的關(guān)鍵是選擇合適的材料,一般需要從蠕變強度,抗高溫蒸汽氧化性能,抗熱疲勞性能,長期組織穩(wěn)定性和焊接性能等幾方面加以考慮.2百萬機組高溫蒸汽管道用鋼比較分析目前,國外用于運行參數(shù)為25.030.0mpa,600/600oc等級機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.圖1l1為912cr鋼的研發(fā)過程.600100000h持久強度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,長時組織穩(wěn)定性,高溫抗氧化性和供應(yīng)等方面分別

5、進行比較和分析.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);在瓦盧瑞克一曼內(nèi)斯曼公司關(guān)于p91材料的手冊巾,認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)短時間蠕變斷裂數(shù)據(jù)外推出來的.歐洲對此外推數(shù)據(jù)提質(zhì)疑,按照歐洲的外推數(shù)據(jù),這兩種鋼與e911相比強度上僅僅略占優(yōu)勢,而且根據(jù)他們對p92較長時間的研究結(jié)果,p92,p122在長時間的運行中強度降低幅度比e911大.2004年時日本發(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(簡稱shc)對p122材料的許用應(yīng)力重新進行了評估,其許用應(yīng)力變化見表3j.表3shc對kasus410j3tp(p122)重新評估前后的許用應(yīng)力值eccc于2005年對p92持久強度值進行

7、_r重新評估并給m了最新的許用應(yīng)力值見表4:表4p92設(shè)計許用應(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的試驗結(jié)果表明e911在600左右時持久強度也有較大的降低,其主要原因同p92,p122類似均是f_i于長時間蠕變數(shù)據(jù)的出現(xiàn),反映出運行巾金相組織的老化對蠕變性能產(chǎn)生了較大的影響,而在早期的強度數(shù)據(jù)評估中過多采用短時間的試驗數(shù)據(jù),在延長時間

8、的試驗中蠕變機制發(fā)生了變化.eccc丁2005年對e91l鋼10h持久強度的進行了重新砰估,其持久強度和據(jù)此推算的許用應(yīng)力值見表5.表5e911持久強度和許用應(yīng)力值mpa第2期徐大偉,等:超超i界百萬機組高溫蒸汽管道材料的選用分析基于目前國內(nèi)超超臨界機組主蒸汽和熱段管道的取用溫度都在600610左右,可以對以上4種材質(zhì)在此溫度區(qū)間時的許用應(yīng)力作一比較,見下表6.表60種cj.vjkjla和1時的許用應(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”時數(shù)據(jù).根據(jù)以上對p91,p92,e911和p122材料設(shè)計許用應(yīng)力的分析,可以看出.(1)由于長時間蠕變數(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,尤其是在”610,壁厚小于3”時,e911許用應(yīng)力甚至小于p91許用應(yīng)力.2.3焊接性能對p9l材料而言,無論在國外還是國內(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行解決,w的加入使得p92和p122比p91和e911需要更長的焊后熱處理時間來保證焊縫韌性;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長時穩(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,在高溫運行中其組織結(jié)構(gòu)變化主要包括位錯密度降低和同溶w析出形成iaves相等,前者會使高溫強度降低,固溶w的減少也降低高溫強度,但析出的iayes相可適當彌補w的變化所帶來的強度影響,然而iaves相的析出會導(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會促使iaves相的析和長大,在長期運行中穩(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組嚴重,同外的超超臨界機組運行中有因為嚴重的蒸汽氧化問題被迫降低參數(shù)運行的例子,但主要存在于過熱器和再熱器,對于600左右運行的主蒸汽管道和再熱熱段管道,由于金屬壁溫波動不頻繁,氧化層剝落的可能性較小,而且

12、運行一段時間后氧化速度逐漸下降達到平衡.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,超超臨界機組主蒸汽和再熱熱段所需p92和p91材料可南美國,日本住友金屬以及歐洲公司供應(yīng),而對于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).3百萬機組高溫蒸汽管道用鋼的經(jīng)濟性分析本節(jié)以2005年動工的國內(nèi)某百萬機組項目為例,對高溫蒸汽管道不同選擇方案的經(jīng)濟性進行比較和分析.其中p92,p9l,e91l的價格資料源于本項目2005年四大管道招標時外商報價資料,本項目未針對p122材料報價.以下成本價格為單臺機價格.3.1使用p91材料時高溫蒸汽管道成本價格見表7表7選

13、用p91材料時的成本價格44鍋爐技術(shù)第42卷3.2使用p92材料時高溫蒸汽管道成本價格見表8表8選用p92材料時的成本價格3.3使用e911材料時高溫蒸汽管道成本價格見表9表9選用e911材料時的成本價格注:p92材料價格和p91材料價格為美國工廠報價報價,歐洲t廠同種材質(zhì)較此價格高約2o;e911材料價格為歐洲工廠報價,因為美國t廠不生產(chǎn)此材質(zhì)管材.基于以上數(shù)據(jù),可以對選用不同材料時的主蒸汽管道,熱段管道價格進行比較和分析,見表l0.表10價格比較表根據(jù)該項目當時的報價情況,可以看出,就整套機組四大管道經(jīng)濟性而言,p92材料管材價格較p91材料管材具備價格優(yōu)勢(雖然p91材料的重量單價較p9

14、2材料重量單價便宜,但因為許用應(yīng)力的問題,導(dǎo)致p91材料管壁較p92材料管壁厚,故折合到長度價格時亦高于p92材料),每臺機組可節(jié)省進口成本約loo萬美金.但相比較而言,p92材料的價格優(yōu)勢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),而對于壁厚較薄的熱段管材而言,p92的價格優(yōu)勢有第2期徐大偉,等:超超臨界百萬機組高溫蒸汽管道材料的選用分析45限(較p91材料低5.52).對于e911材料而言,無論是主蒸汽管道還是熱段管道,其價格遠遠高于p92和p91材料價格.p122材料價格大致與e911相仿或略高一些.值得一提的是,雖然以上分析基于2005年價格數(shù)據(jù),但從目前掌握的材

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

16、1050mw/600/610超超臨界機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作為超超臨界機組主蒸汽和再熱熱段管道的一個原因是開發(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的機組較多應(yīng)用了e911鋼,另外試驗性的應(yīng)用了p92鋼.歐洲認為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p92id2403

17、925/5601992nordiyllandsvaeketp92p122idl604529/582l996schkopaub號e911id550247/5601996staudinger1號e9l1id2o12221.3/5401996skaerbaek3號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,雖然機組溫度普遍高于歐洲機組,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,投運機組運行時間有限,積累的運行性能方面的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗不是很多.4.3國內(nèi)目前,國內(nèi)亞臨界和超臨界機組主蒸汽管道和再熱熱段管道普遍選用p91材料,但對于超超臨界機組而言,已投產(chǎn)和規(guī)劃中的項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為國內(nèi)目前部分百萬機組主蒸汽和熱段管材的規(guī)格和材料選用的情況.5百萬機組高溫蒸汽管道用鋼的綜合評析p91材料在國內(nèi)外獲得了廣泛應(yīng)用,長時持久強度數(shù)據(jù)穩(wěn)定,在日本橘灣火力1號有600/610運行業(yè)績(2000年投產(chǎn));焊接工藝成熟;高溫抗氧化性滿足要求;國外可選生產(chǎn)廠家較多;但因610左

19、右許用應(yīng)力較p92低約17,在本項目中導(dǎo)致主蒸汽管道管壁增厚約25,使機組在啟停,變負荷以及煤質(zhì)波動時易產(chǎn)生蒸汽管道的熱疲勞損傷或破壞的風險,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材料價格劣勢不明顯,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材料的長時蠕變數(shù)據(jù)尚不夠完善,后期仍存在持久強度作進一步調(diào)整的可能性.國外電廠運行數(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,同時降低了蒸汽管道熱疲勞損傷或破壞的風險;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的持久強度數(shù)據(jù)經(jīng)過重新評估以后,其許用應(yīng)力較之于p9l而言,優(yōu)勢已不明顯;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;材料價格昂貴;閏外機組運行業(yè)績和時問有限;供應(yīng)上可選擇的范罔有限.故百萬機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、程師進行溝通,得到如下信息:pl22材料【大1含有高達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;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小時持久強度低丁p92材料的數(shù)據(jù).參考文獻:l1霄光庭.龔-賢.超越1機紺i兒人僻道材質(zhì)的選擇l.熱機技術(shù).2oo6(3).12陳瑞兜.超超iifi界機ft1.汽水系統(tǒng)的沒汁特r分析ll1.;i乜技術(shù).2008(2).31松林.超超臨界火電機封ipq大能道選材分析l1.熱機技術(shù).2005(3).analysisofthesteelmaterialsusedforthehightemperaturetubeof1000mwuitrasuppercriticalclassunitxudaiwie.yuhai一1ian.wufeiwen(1.chinanationaiwaterresourcesin(electricpowermaterialsandf.quitment【,().itd2.thermaliowerresea