04火电机组四大管道国产化-上成套.pptx

火电机组四大管道国产化 -2- 目 录 1-引言 2-四大管道的选材 3-四大管道的国产化现状及制造工艺 4-国产四大管道材料的性能水平 5-四大管道国产化应用存在的问题及建议 6-结语 1、引言 四大管道是指连接锅炉与汽轮机之间的主蒸汽管道、再热蒸汽 管道热段、再热蒸汽管道冷段、高压给水管道以及相应旁路管 道，主要为大口径厚壁无缝钢管。 四大管道是火电机组的关键部件之一，其造价占投资项目的 5%-8%，其质量对机组的安全运行非常重要。 机组参数特别是蒸汽温度和压力的提高，对超（超）临界机组 四大管道所用钢管的材料性能也提出了更高要求。 1、引言 2005年开始，国内多家制造企业联合大型发电集团、 科研院 所和高校，对超超临界机组用P92、P91钢管进行了全面系统的 国产化研制工作。 目前国内已有多家企业具备四大管道产业化的能力，自主研制 的四大管道的性能基本能够满足相关标准的规定和电厂的使用 要求，不少材料已经在电厂获得工程应用。 2、四大管道的选材 四大管道是电厂系统的重要组成部分，材料选择不当，可 能造成电厂降参数运行，影响经济效益，严重者会带来安全问 题。而考虑过大的设计裕量，会造成不必要的浪费。结合四大 管道材料的应用和发展现状，介绍四大管道选材的基本要求。 超超临界火电机组四大管道： 主蒸汽管道 再热蒸汽管道热段 再热蒸汽管道冷段 高压给水管道 2.1、超超临界主蒸汽管道用材的选择 主蒸汽管道用材的要求 ： 一定的高温强度（使用温度下，10万小时的高温持久强度达到 90-100MPa）。 良好的抗蒸汽腐蚀性能 材料的热膨胀系数比较小且导热率较大，以降低管道的热应力 水平。 2.1、超超临界主蒸汽管道用材的选择 主蒸汽管道候选材料 ： P91 P122 E911 P92 2.1、超超临界机组主蒸汽管道用材的选择 P91材料的使用温度已达到极限。由于在610的许用应力低，计 算壁厚达到104mm，管道较厚，导致热应力较大，且在现场单道焊 口焊接施工时间长，焊接成本高，同时其经济性也略逊于P92，因 此不建议采用P91作为超超临界主蒸汽管道材料。 P122抗蒸汽氧化能力较强，但材料的焊接性能不好，且成分中含 有1%的Cu会促使Laves相的析出和长大，长期组织稳定性最差； E911高温强度比P92和P122低，在经济性上没有优势。 2.1、超超临界机组主蒸汽管道用材的选择 P92高温持久强度高，焊接和其它热加工工艺与P91接近，抗 蒸汽氧化能力也能满足要求，且经济上最优。综合技术和经济 因素考虑，超超临界主蒸汽管道材料推荐优先采用P92钢。 国内超超临界机组如华能玉环电厂和营口电厂二期等基本上都 选择P92钢作为主蒸汽管道材料。 2.2、超超临界机组再热蒸汽管道热段用材的选择 主蒸汽管道选材要求基本相同 高温再热蒸汽管道材料选择P91、 P92、P122、E911钢均能 满足要求。 同样考虑P122的焊接技术难点和E911的价格问题，国内超超 临界机组基本上只在P92和P91两种材料中选择 2.2、超超临界机组再热蒸汽管道热段用材的选择 高温再热蒸汽的温度较高，但压力较低，采用P91管道壁厚适 中，不会出现高强度材料薄壁管道的焊接问题，在技术上也是 可行的，且经济性也较好。因此建议目前超超临界高温再热蒸 汽管道材料除考虑P92以外，可考虑保留P91材料作为一个选 择。 国内设计温度为610等级的高温再热蒸汽管道选用P91和P92 的都有。如玉环电厂选择选择了P91作为高温再热蒸汽管道材料 ，而北疆电厂则选择了P92。 再热蒸汽温度进一步提高到620以上，高温再热蒸汽管道材 料都选择了P92。 2.3、超超临界再热蒸汽管道冷段用材的选择 超超临界高压缸排气压力和排气温度受低压缸排气温度的限制 ，与亚临界机组相比，变化不大；再热蒸汽管道冷段根据不同 机型的具体情况确定其材料，但不涉及新材料的应用。 高压缸最高允许排汽温度低于427的汽轮机，再热蒸汽管道 采用碳钢材料A672B70CL32 电熔焊接钢管；排汽温度高于 427，采用低合金钢A691Cr1-1/4CL22电熔焊接钢管 2.4、超超临界机组高压给水管道用材的选择 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，因此超超临界机组给水温度仍将维持在300左 右。此外超超临界高压给水管道压力只是略高于超临界机组， 目前国内外高压给水管道普遍采用的EN10216-2标准的 15NiCuMoNb5-6-4无缝钢管仍然适用超超临界机组，不涉及到 新材料的应用。 15NiCuMoNb5-6-4就是过去常说的WB36，WB36是德国瓦卢 瑞克-曼内斯曼钢管公司的企业牌号。 3、四大管道的国产化现状和制造工艺 随着我国装备制造业水平的提高，制造企业研发能力也大幅提 升，装备水平明显改善，质量管理体系逐步完备，综合素质显 著增强，已有多家企业具备承担超超临界火电机组四大管道国 产化任务的能力。国产四大管道的性能能够满足相关技术标准 要求，并已在国内多家电厂投入使用。 国内四大管道主要采用的制造工艺：垂直热挤压，周期式轧制 ，冲孔拉伸、锻造镗孔。 3.1、垂直热挤压 采用垂直热挤压机生产四大管道用大口径厚壁无缝钢管是工 业发达国家传统的，成熟的工艺方法。 工艺优点：无缝钢管在挤压生产过程中处于三向压应力状态， 工件组织致密；热挤压工艺适合加工难变形金属材料，产品精 度较高，内在质量好，且工艺流程较短。 不足：生产设备复杂，厂房较高，投资比较大 。 3.1、垂直热挤压 近年来，北方重工、河北宏润重工、青海康泰相继建成了3.6 万吨、5万吨、6.8万吨热挤压机，实现了大口径厚壁钢管制造 工艺的跨越发展和黑色金属挤压技术的重大突破，并且都超越 了原来世界上最大的美国威曼-高登公司的3.15万吨热挤压机。 北方重工用垂直挤压工艺生产的P91钢管已向华能平凉、营 口、济宁、白杨河等电厂供货；P92钢管已向南通电厂供货。 3.2、周期式轧制（皮尔格轧机） 周期轧管机组（皮尔格轧机）这种机型较老，但生产的产品 规格（406-750mm）为市场需求量较大的部分，特别是火电 机组主要使用的711mm的厚壁管。目前仍然是生产四大管道 的主力机型。 工艺优点：以周期锻轧的方式生产钢管，具有锻轧的特性，轧 管机最大延伸系数为8，这种变形工艺方式可以确保钢管内在质 量，壁厚范围大，产品种类多，生产规模也较大。 不足：生产时变形为间断式，钢管表面质量和尺寸精度不高。 攀成钢、四川三州、衡阳华菱钢管分别拥有一条508mm、 630mm、720mm皮尔格周期轧管机组。 3.3、冲孔拉伸（大顶管机组） 大顶管轧管机产品规格范围宽，是生产直径大于750mm、壁 厚为80-270mm无缝钢管的主要机型。 工艺优点：生产工艺类似挤压成型，变形应力状态和内部组织 实密性较好，质量类似锻造；适合生产小批量、多品种、附加 值较高的产品。 不足：生产效率不高，成材率低，需多火加热，能耗高。 武汉重工铸锻有限责任公司有1套大顶管机组，生产规格406- 1016mm25-120mm，生产能力2万吨。 3.4、锻造镗孔 锻造镗孔工艺是将无缝钢管的锻造坯料钻镗孔后，机械加 工为无缝钢管，适合生产直径与壁厚都比较大的无缝钢管。 工艺优点：实心坯料的中心区域被机械加工去除，钢管的成分 偏析、夹杂物级别、内外表面性能差等都比较小。 不足：材料利用率低，制造成本高。 国内采用这种工艺生产厚壁无缝钢管的企业均为原来从事大中 口径火炮生产的单位。如中原特钢股份有限公司、齐齐哈尔北 方机器有限责任公司，早期北方重工业采用这种工艺生产P91、 P92钢管。 4、国产四大管道材料的性能水平 4.1、国产P91钢管的性能 4.1.1、化学成分 表1：P91钢管的化学成分 国产P91钢管的化学成分均符合ASME SA-335M的要求，且 与住友P91钢管的化学成分差别不大 。 4.1.2、非金属夹杂物、显微组织和晶粒度 国产钢管的显微组织为回火马氏体组织，晶粒度处在7.5-9.5 级之间，一些产品不仅可以达到日本住友8.5-9级的水平，甚至 可以更细。晶粒越细，有利于提高材料的抗蒸汽氧化性能。 国产P91钢管的非金属夹杂物级别和晶粒度均符合GB 5310- 2008高压锅炉用无缝钢管的要求。 4.1.3、室温力学性能 表2：P91钢管的室温拉伸性能 名称Rp0.2/MPaRm/MPaA/ A53068024.0 B58373022.5 C52667324.5 D49166826.0 E52268025.0 住友50366724.0 ASME SA-335M P9141558513 4.1.3、室温力学性能 国产和住友P91钢管的室温拉伸性能均符合ASME SA-335M 的要求。 国产钢管的塑性比住友钢管略好一些。 从屈服强度试验结果来看，B厂较高，D厂略低，其它三家和 住友处于同一水平； 而从抗拉强度试验结果来看，除B厂较高外，其它厂家和住友 处于同一水平 室温拉伸强度的差别可能与它们的生产工艺不同有关。 4.1.4、室温硬度 表3：P91钢管的硬度试验结果 国产P91钢管的硬度值均符合ASME SA-335M的要求。除B厂 的硬度略高外，其它厂家和住友钢管处于同一水平。 名称 A BC D E住友ASME SA-335M P91 HBW 2.5/187.5205235215200205209 250 4.1.5、高温短时拉伸性能 国产钢管的高温短时屈服强度均符合GB 5310的要求。国产 钢管在100-450的屈服强度与住友钢管处于同一水平，国产 钢管在500-650的屈服强度略高于住友钢管。 图1：国产和住友P91钢管的高温短时屈服强度 4.1.6、高温持久强度 国产钢管10万小时的持久强度外推值符合GB 5310的要求，且和住友钢管的 高温持久强度基本相当。 由于缺乏更长试验时间的数据点，外推数据的可靠性有待进一步提高。 图2：国产和住友P91钢管600的持久强度试验曲线 4.2、国产P92钢管的性能 4.2.1、化学成分 表4：P92钢管的化学成分 国产P92钢管的化学成分均符合ASME SA-335M的要求，且与 住友P92钢管的化学成分差别不大 。 4.2.2、非金属夹杂物、显微组织和晶粒度 国产钢管的显微组织为回火马氏体组织，晶粒度处在6-8级之 间，一些产品不仅可以达到日本住友7级的水平，甚至可以更 细。晶粒越细，有利于提高材料的抗蒸汽氧化性能。 国产P92钢管的非金属夹杂物级别和晶粒度均符合GB 5310- 2008高压锅炉用无缝钢管的要求。 4.2.3、室温力学性能 表5：P92钢管的室温拉伸性能 名称 Rp0.2/MPaRm/MPaA/ A54069522.5 W56571524.0 D53167822.8 住友 54570523.5 ASME SA-335M P9244062014 国产P92钢管的室温拉伸性能均符合ASME SA-335M的要求 ，且和住友钢管处于同一水平。 4.2.4、室温硬度 表6：P92钢管的硬度试验结果 国产P92钢管的硬度值均符合ASME SA-335M的要求。除D 厂的硬度略高外，其它厂家和住友钢管处于同一水平。 名称AWD住友ASME SA-335M P92 HBW 2.5/187.5 210212222209250 4.2.5、高温短时拉伸性能 国产钢管的高温短时抗拉强度均符合GB 5310的要求，且略 高于住友钢管的水平。 图3：国产和住友P92钢管的高温短时抗拉强度 4.2.6、高温持久强度 国产钢管10万小时的持久强度外推值符合GB 5310的要求，且和住友钢管的 高温持久强度基本相当。 由于缺乏更长试验时间的数据点，外推数据的可靠性有待进一步提高。上海 发电设备成套设计研究院正在对国产P92钢管开展33000h的高温持久试验。 图4：国产和住友P92钢管600的持久强度试验曲线 4.3、国产15NiCuMoNb5-6-4(WB36)钢管的性能 4.3.1、化学成分 表7：WB36钢管的化学成分 国产WB36钢管的化学成分均符合EN10216-2的要求。除F厂 将Cr含量控制较低外，其它元素含量，国产钢管和曼内斯曼钢 管处于同一水平。 4.3.2、室温力学性能 表9：WB36钢管的室温拉伸性能 名称Rp0.2/MPaRm/MPaA/ A58070724.5 W52063524.0 F49063027.5 曼内斯曼53569525.5 EN10216-2440610-78017 4.3.2、室温力学性能 国产WB36钢管的室温拉伸性能均符合EN10216-2的要求。 从抗拉强度试验结果来看，W厂和F厂略低，A厂和曼内斯曼 处于同一水平。 从屈服强度试验结果来看，A厂略高，F厂略低，W厂和曼 内斯曼处于同一水平。 室温拉伸强度的差别可能与它们的生产工艺不同有关。 5、四大管道国产化应用存在的问题及建议 5.1、提高产品质量稳定性，加强材料精细化研究 超超临界火电机组四大管道虽已基本实现国产化，在某些指 标上甚至优于国外同类产品。但国产钢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。 国产四大管道尤其是主蒸汽管道用P92钢管的性能与国际先进 水平仍存在一定的差距，这主要是因为材料的精细化研究程度 不深。材料的精细化研究不仅要研究合金元素配比的影响，还 要研究材料的强化机理和劣化机理，组织、性能之间的关系及 其变化规律等，只有知其然而知其所以然，才能确保国产化材 料的质量稳定性。 5.2、更加关注材料高温长时性能数据的积累 超超临界火电机组设计寿命比较长，通常在40年以上，这对 电站用金属材料的高温长时性能提出了更高的要求。此外在高 温和高压下长期服役的电站金属材料，由于蠕变、疲劳、腐蚀 和组织变化，材料的性能也会随时间变化，室温和短时性能无 法代表高温长时性能。因此为了保证机组的安全运行，必须通 过高温长时性能试验得到10万小时或20万小时乃至更长时间的 性能指标。 近年来发现部分912Cr钢在高温下长期服役后性能发生转 折性下降，2006年ASME对P92和P122的许用应力进行了下调 ，高温许用应力的下调则对按原许用应力设计的已经服役的材 料造成潜在的危险。 P92钢管尚不是非常成熟的材料，现在并未纳入正式标准，只 是列入ASME CODE CASE规范案例中，其许用应力后期仍存 在进一步调整的可能。 5.2、更加关注材料高温长时性能数据的积累 国际上通常在时间上外推不大于3倍得到高温长时性能指标， 如利用3.3万小时以上的试验数据外推10万小时性能指标，利用 6.7万小时以上的试验数据外推20万小时的性能指标。 现在欧洲所有的钢种都要求有33000小时以上的试验数据，并 提出今后要有70000小时的试验点，且不少钢种持久强度试验已 进行了10万小时以上（甚至达到了20万小时）。而日本金属材 料技术研究所最长的试验已经连续做了超过40年(近36万小时)， 且已有数十个15万小时以上的试验数据。而国产四大管道3万小 时以上的试验数据几乎没有，为保障机组的安全可靠运行，应 加强国产四大管道材料高温长时性能数据的积累。 5.3、材料的高温蒸汽腐蚀性能要需引起高度重视 在超超临界机组中，由于蒸汽温度的提高，蒸汽侧氧化和氧 化层的剥落问题要比亚临界和超临界机组严重。国外的超超临 界机组中有因为严重的蒸汽氧化问题被迫降低参数运行的例子 ，但问题主要发生在过热器和再热器。 对于600下运行的主蒸汽管道和再热热段蒸汽管道，由于金 属壁温的波动不平繁，氧化层剥落的可能性较小，运行一段时 间后，氧化速率逐渐下降达到平衡。因此，9%Cr钢估计可以 满足抗蒸汽氧化性能的要求，但缺乏这方面的试验数据，尤其 是在近几年超超临界机组的再热蒸汽温度提高的情况下，建议 在工程设计时予以充分考虑和重视，并加强高温蒸汽腐蚀性能 数据的积累。 6、结语 经过多年来的生产实践，国内多家企业自主研制的四大管道 的性能基本能够满足相关技术标准和电厂的使用要求，不少材 料已经在电厂获得工程应用，起到了很好的示范效果，其中不 乏有P92等高端材料应用于国内百万千万超超临界火电机组主蒸 汽和再热蒸汽管道的例子。因此，针对四大管道国产化应用情 况，我们的建议如下： （1）主蒸汽管道和再热热段蒸汽管道设计温度为546等级的 300MW、330MW（350MW）、600MW亚临界机组，主蒸汽管 道、再热蒸汽管道热段和冷段、高压给水管道材料分别选择P91 、P22、A672B70CL32、15NiCuMoNb5-6-4，这类机组四大管 道可以采用国产材料。 （2）主蒸汽管道设计温度为576，再热热段蒸汽管道设计温 度为574等级的350MW等级超临界空冷、供热、空冷供热机 组、660MW等级超临界空冷和湿