浙江省电力设计院-四大管道设计

PAGENUMPAGES242005年热机专业技术交流600MW超超临界机组四大管道设计浙江省电力设计院2005年11月目录TOC\o"1-2"\h\z1前言 12四大管道设计对象 12.1四大管道设计参数拟订原则 12.2拟采用的主机参数 32.3主蒸汽、再热蒸汽管道设计参数的确定 32.4高压给水管道 43.四大管道材料选择 53.1耐高温管道材料的发展情况 53.2新型耐高温管道材料在超超临界机组中的应用 93.3四大管道选材原则 133.4不同管道材料的技术经济比较 133.5600MW超超临界机组四大管道材料推荐意见 164四大管道规格的拟定 175 195.1焊接工艺 195.2支吊架材料选择 205.3管件订货 208结论及意见 218.1四大管道设计参数的选取原则 218.2四大管道材料 218.3四大管道设计参数及规格 222005年热机专业技术交流600MW超超临界机组四大管道设计第8页共22页600MW超超临界机组四大管道设计1前言本文主要介绍了600MW超超临界机组四大管道设计过程中的设计参数拟订原则，材质的选择，参数、规格的确定以及设计计算的要求等，为同类型电厂工程四大管道设计提供参考。2四大管道设计对象四大管道指主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、低温再热蒸汽管道和高压给水管道。2.1四大管道设计参数拟订原则根据中华人民共和国电力行业标准《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL/T5054-1996第一章总则的规定，该规定适用于火力发电厂范围内主蒸汽参数为27MPa、550oC（高温再热蒸汽可达565oC）及以下机组的汽水管道设计。显然，对于超超临界机组，蒸汽参数24.2～27MPa、566℃～600℃已经超出上述汽水管道设计技术规定的范围。鉴于国内尚无适合于该蒸汽参数范围的设计技术规定，一方面应加快DL/T5054-1996的修订工作，同时现阶段可参照美国动力管道设计规定ASMEB31.1或其他发达国家相关技术标准执行。《火力发电厂汽水管道设计技术规定》（DL/T5054-1996）（以下简称“管规”）是根据我国的经验，参照国外有关规程，包括美国ASMEB31.1规程制定的，但与国外的有关规程仍不尽相同。就设计参数方面，在“管规”中规定：主蒸汽管道的设计压力，取用锅炉过热器出口的额定工作压力或锅炉最大连续蒸发量下的工作压力。当锅炉和汽轮机允许超压5%（简称5%OP）运行时，应加上5%的超压值。主蒸汽管道的设计温度，取用锅炉过热器出口蒸汽额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差5oC。在“B31.1”中122.1.1(A)中指出设计压力和温度的选择，要足以超过任何预期的，并非一定为连续的运行工况，以允许在超压保护装置不动作时仍能可靠运行。在122.1.2A4中指出：对于配单元机组并备有对应集箱蒸汽压力的自动燃烧控制设备的锅炉，蒸汽管道设计压力不应小于主汽门进口处设计压力加5%，或者是不小于任何锅筒（汽包）安全阀整定压力下限值的85%或者不小于管道系统任何部位预期的最大持续压力，取上面三者中的最大值，而所使用的材料的许用应力值不应大于过热器出口预期的蒸汽温度下的允许值，对于没有固定汽水分界线的强制流动锅炉（直流炉），其设计压力也不应小于预期的最大持续运行压力。目前需讨论的问题是：什么是预期的运行工况？在“管规”中，对设计温度考虑了允许的偏差值5℃，而对设计压力则没有考虑偏差。在B31.1的122.1.1(A)中，则要求压力和温度都要超过任何预期的，并非一定为连续的运行工况。122.1.1(A)应理解为对设计压力和温度的总的要求，122.1.2A4则是对主蒸汽管道的具体化，与122.1.1(A)应是不矛盾的。什么是预期的运行工况？在DL/T892-2004《电站汽轮机技术条件》6.2节中规定：在任何12个月的运行期中，汽轮机进口的平均主蒸汽压力不应超过额定压力。为保持此平均值，主蒸汽压力不应超过额定压力的105%。对于额定蒸汽温度不超过566℃时，在任何12个月的运行期中，汽轮机任一进口的平均温度不应超过其额定温度。为保持此平均值，进口温度通常不应超过额定温度8℃。如果通过二根或二根以上平行管道向汽轮机任一端点供汽，其中任何一管子的蒸汽温度与另一根的差异不宜超过17℃。额定蒸汽温度超过566℃时，其允许偏差可由供需双方商定。根据IEC对汽轮机的要求，可见超压5%和超温8℃连续运行是允许的，只要保持12个月平均值不超过额定值即可。按此理解，主蒸汽管的设计压力应取为额定进汽压力的105%加上主蒸汽管道的压降，设计温度应取为汽轮机额定进汽温度加8℃和主蒸汽管的温降。综上所述，按照不同的规范，即按照“管规”和按照“B31.1”拟订的设计参数还是存在一定的差异，主要是主蒸汽管道的设计参数差异比较明显。经计算，按“B31.1”拟订的设计参数比按“管规”拟订的设计参数，主蒸汽管道壁厚要明显增加，每米重量约要增加10%，就一台机组的主蒸汽管道的投资要增加近300万。设计参数提高后，对机组运行安全性当然是有利的，但会使管道壁厚增大，不仅投资大，而且由于管道刚度的加大，对设备的推力也会增加，采取任何措施降低设备接口的推力都会增加一定的费用。设计既要符合有关规范，也要考虑经济性，要了解主机的规定，还要了解运行习惯和有关规定，避免一味提高安全系数而造成过大的投资。目前国内引进的大容量机组已不再考虑汽轮机VWO+5%OP的运行工况，仅以汽轮机VWO工况下的出力作为汽轮机的最大计算出力。设计中按“管规”确定了设计参数，就应成为今后运行管理的依据，在运行中严格控制超压和超温的幅度和时间，就可以确保机组的安全运行。2.1.1超温的控制直流锅炉的给水量等于蒸发量，因此只要保持燃料量与给水量的比值一定，则过热蒸汽的焓值不变，所以直流锅炉过热汽温的调整主要通过调节煤水比来实现，但是实际上要保证煤水比不变并不容易，因此还必须用喷水做精确调整。在运行工况变化时首先调整煤水比，再加喷水微调，过热器采用两级喷水减温装置，每级左右能分别调节。过热器减温水管道及阀门的选择按设计值的250%考虑，完全可以将过热汽温稳定控制在5℃的允许变化范围内。2.1.2超压的控制目前国内引进的大容量机组已不再考虑汽轮机VWO+5%OP的运行工况，仅以汽轮机VWO工况下的出力作为汽轮机的最大计算出力。因此，在正常运行工况下，应不会出现超压，但当汽轮机紧急降负荷时，由于锅炉降负荷的滞后，会出现主蒸汽管道压力摒高，此时可以通过打开旁路来调节压力，目前国内大部分的大容量机组的旁路都具有调压功能，对于那些只采用简易旁路系统的机组，则通过锅炉出口主蒸汽管道的PCV阀和安全阀的动作来泄压。根据“B31.1”在102.2.4正常运行允许变化中规定：“管道系统偶然短时在高于设计压力温度下运行应认为是安全的。这种压力或温度或两者同时变化，所计算的周向应力不超过对应温度下的许用应力如下百分数时，这种波动可以超过设计值：(A)当任何一次不多于8小时，年累计不超过800小时时，其许用应力可提高15%；(B)当任何一次不多于1小时，年累计不超过80小时时，其许用应力可提高20%”。经计算，同样壁厚的管道，在许用应力提高15%时，它能承受的115%的设计压力。对于汽轮机紧急降负荷引起的管道短时超压任何一次的时间均无可能超过8小时，对于带基本负荷的机组，每年累计事故甩负荷的次数也是非常有限的。而锅炉出口主蒸汽管道的PCV阀的起跳压力通常都设定在锅炉出口主蒸汽压力的110%。因此，按照“管规”拟订设计压力是合适的。同时，据了解，目前正在设计中的超超临界机组的四大管道的设计参数均是按照“管规”来拟订的。因此仍可以按“管规”来确定四大管道的设计参数。2.2拟采用的主机参数本专题中主机参数按汽机入口参数25MPa/600℃/600℃的600MW超超临界机组考虑。2.3主蒸汽、再热蒸汽管道设计参数的确定主蒸汽及高、低温再热蒸汽系统采用单元制系统。主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道分别从过热器和再热器的出口联箱的两侧引出，合并成一路总管后接到汽轮机前再分成两路，分别接入高压缸和中压缸左右侧主汽关断阀和再热关断阀。低温再热蒸汽管道从高压缸的两个排汽口引出，在机头处汇成一根总管，到锅炉前再分成两根支管分别接入再热器入口联箱。这样既可以减少由于锅炉两侧热偏差和管道布置差异所引起的蒸汽温度和压力的偏差，有利于机组的安全运行，同时还可以选择合适的管道规格，节省管道投资。过热器出口及再热器的进、出口管道上设有水压试验隔离装置，锅炉侧管系可做隔离水压试验。主蒸汽、再热蒸汽系统按汽轮发电机组VWO工况时的热平衡蒸汽量设计。按《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL/T5054-1996有关规定。主蒸汽系统管道的设计压力为锅炉过热器出口额定主蒸汽压力。主蒸汽系统管道的设计温度为锅炉过热器出口额定主蒸汽温度加锅炉正常运行时允许温度正偏差5℃。冷再热蒸汽系统管道的设计压力为机组VWO工况热平衡图中汽轮机高压缸排汽压力的1.15倍。冷再热蒸汽管道系统的设计温度为VWO工况热平衡图中汽轮机高压缸排汽参数等熵求取在管道设计压力下相应的温度与汽轮机厂提供的高压缸排汽跳闸温度两者之间的大值。热再热蒸汽管道系统的设计压力为VWO工况热平衡图中汽轮机高压缸排汽压力的1.15倍或锅炉再热器出口安全阀动作的最低整定压力。热再热蒸汽管道系统的设计温度按《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL/T5054-1996有关规定，应为锅炉再热器出口额定再热蒸汽温度加锅炉正常运行时的允许温度正偏差5℃。为了协调机炉运行，改善整机启动条件及机组不同运行工况下带负荷的特性，适应快速升降负荷，增强机组的灵活性，每台机组设置一套高压和低压两级串联汽轮机旁路系统。高压旁路每台机组安装一套，从汽机入口前主蒸汽联络管接出，经减压、减温后接至低温再热蒸汽管道。低压旁路每台机组安装二套，从汽机中压缸入口前高温再热蒸汽两根支管分别接出，经减压、减温后接入凝汽器。高压旁路阀前管道设计参数同主蒸汽管道，阀后管道设计参数同低温再热蒸汽管道；低压旁路阀前管道设计参数同高温再热蒸汽管道，阀后管道设计参数为1.2MPa(g)，200℃。主蒸汽和再热蒸汽系统管道的设计参数、介质流量、推荐流速等详见表2-1。2.4高压给水管道系统设置两台50％容量的汽动给水泵和1台30％容量的电动启动给水泵。每台汽动给水泵配置1台电动驱动的前置泵。系统设三台全容量、卧式、双流程高压加热器，三台高加给水采用大旁路系统。给水泵出口设有最小流量再循环管道并配有相应的控制阀门等，以确保在机组启动或低负荷工况流经泵的流量大于其允许的最小流量，保证泵的运行安全。每根再循环管道都单独接至除氧器水箱。给水管道上装设30%容量的调节阀，以增加机组在低负荷时的流量调节的灵敏度。给水系统按最大运行流量即锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况时相对应的给水量进行设计。主给水泵出口至关断阀的高压给水管道，设计压力取泵在额定转速特性曲线最高点对应的压力与泵进水侧压力之和；主给水泵出口关断阀后到省煤器进口的高压给水管道，设计压力取泵在额定转速及设计流量下泵提升压力的1.1倍与进水侧压力之和。高压给水管道设计温度取高压加热器后高压给水的最高工作温度。给水系统管道的设计参数、介质流量、推荐流速等详见表2-1。

表2-1四大管道设计参数表（25MPa/600℃/600℃超超临界机组）序号管道名称设计压力MPa(a)设计温度℃流量t/h推荐流速m/s1主蒸汽管道半容量管26.25610897.54060全容量管26.25610179540602热再热蒸汽管道半容量管5.6816087325065全容量管5.681608146450653冷再热蒸汽管道半容量管5.6813698153045全容量管5.681369163030454汽机高压旁路管道汽机高压旁路进口管道26.25610538.5汽机高压旁路出口管道5.6813696645汽轮机低压旁路管道汽机低压旁路进口管道5.681608664汽机低压旁路出口管道1.22009056主给水管道主给水管道主管34.5292.5179526主给水泵关断门前直管（汽泵）~38.0292.5897.526主给水泵关断门后直管（汽泵）34.5292.5897.526主给水泵关断门前直管（电泵）~38.0292.5538.526主给水泵关断门后直管（电泵）34.5292.5538.5263.四大管道材料选择3.1耐高温管道材料的发展情况新材料的开发始终是超超临界技术发展的关键，通过国外超超临界技术发展历程，从上世纪50年代机组参数已经达到600~650℃，但由于材料技术不成熟，且价格昂贵，影响了机组运行可靠性，不得不降低温度参数，直到80年代研究出适用与上述参数范围的9%~12%Cr钢，且成本远低于最初采用的奥氏体高温钢材，其物理性能与工艺性能均优于奥氏体钢，给再度生产蒸汽参数为600~650℃的超超临界机组创造了条件。下面就耐高温管道材料的发展过程作简单介绍：3.1.1珠光体钢20世纪50年代，电站锅炉钢管大多采用珠光体低合金耐热钢，其含Cr≤3%，含Mo≤1%，其典型钢种及使用温度如下：12Cr1MoV≤570℃10CrMo910≤570℃A335P22≤570℃由于12Cr1MoV材料超过550℃时，其石墨化进程会明显加速，目前此材料的推荐使用温度已降低为550℃，超过550℃应加强石墨化监察工作。当时，当蒸汽温度超过580℃，则使用奥氏体耐热不锈钢TP304、TP347等。奥氏体不锈钢虽然高温蠕变强度较大，允许使用的温度也较高，但是其相对于马氏体合金钢，则导热率低、热膨胀系数大，却又造成了高温蒸汽管道较高的热应力水平。此类钢材的主要性能特点：450℃以下有良好的抗拉强度（120MPa），550℃以下有良好的持久强度，良好的蒸汽氧化性能以及焊后热处理焊接性能优良等特点，随后日本住友公司在P22基础上，以W取代部分Mo并添加Nb、V提高蠕变强度，成功开发了P23，目前P23大量取代了10CrMo910及12Cr1MoV3.1.2铁素体/马氏体钢3.1.2.1EM12钢50年代末比利时Liege冶金研究中心研究了“超级9Cr”钢，其化学成分为9Cr-2Mo，并有V、Nb添加剂，材料牌号为EM12。1964年，法国电力公司批准EM12钢可用于620℃的过热器和再热器，代替过去使用的不锈钢。但是，由于该钢种是二元结构，冲击韧性差，后来未得到广泛使用。3.1.2.2F12钢60年代末，德国研究开发了12Cr钢，F12（X20CrMoV121）钢至1979年正式纳入DIN17175标准中（化学成分见表2-1），使用温度可达630~650℃。但其含碳量高，焊接性差。随后开发的同一系列的钢种有瑞典的HT9和日本的HCM12。3.1.2.3P91钢1974年，美国能源部委托橡树岭国家实验室研究用于液体金属快中子增殖堆计划的钢材，开始改进9Cr1Mo钢，并进行了性能试验，在593℃/10万小时条件下的持久强度达到100MPa，韧性也较好。从技术和经济角度分析，这种钢比法国的EM12好（化学成分如表2-1）。1982年橡树岭国家实验室进行了对比试验，发现这种改进的9Cr-1Mo钢优于EM12和F12。1983年美国ASME认可了这种钢为T91、P91，即SA213-T91和SA335-P91。其中，SA213-T91为小口径锅炉受热面管材。1987年法国瓦鲁海克公司针对P91与F12和EM12的比较评估研究发表技术报告认为P91有明显优点，强调要从EM12转为使用P91钢。80年代末，德国也从F12转向使用T91、P91钢。P91钢材是一种综合性能优异的9%Cr钢，目前在我国的亚临界及超临界机组中得到了广泛的应用。3.1.2.4P92、P122、E911钢90年代初日本在大量推广P91钢的基础上发现当使用温度超过600℃时，P91钢不能满足长期安全运行的要求。另外调峰任务重的机组，管材的疲劳失效也是一个大问题。日本在开发新的大机组高参数机组用钢方面做了大量的试验研究工作，目前已生产出商品钢管P92（NF616）和P122（HCM12A）。1994年这两种钢也被纳入了ASME锅炉和压力容器规范，规范号分别为CASE2179和CASE2180。P92钢是在P91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，具有更高的许用应力，使用温度则可达到620℃。E911钢是一个欧洲牌号的钢种，其化学成分与P92相似，机械性能也基本接近。P122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的增加，具有更高的热强性和耐腐蚀性。尤其是由于含C量的减少，使得焊接冷裂敏感性有了改善。上述三种钢材的高温强度比P91都有不同程度的提高，是目前阶段超超临界机组联箱及高温蒸汽管道的主力材料。3.1.3新一代的NF12和镍基合金新一代的NF12和镍基合金Alloy617两种材料是在上述三种材料的基础上进一步增加W含量并添加Co，根据现已出版的资料，其105小时蠕变强度达到100MPa的温度分别达到了650℃和690℃，适用的最高蒸汽参数将分别达到：30.0MPa/625℃/640℃和30.0MPa/660℃/680℃左右。不过这两种材料目前正处在试验和开发的阶段。2005年热机专业技术交流600MW超超临界机组四大管道设计第9页共22页600MW超超临界机组四大管道设计表3-1 部分铁素体/马氏体钢的化学成分牌号规范化学成分(%)ASMEJISCSiMnCrMoWVNbBNOther1-1/4CrP11A335-T110.150.50.451.250.52-1/4CrP22A335-T22STBA240.120.30.452.251.09CrP9STBA260.120.60.459.01.0HCM9MSTBA270.070.30.459.02.0P91A335-P91STBA280.100.40.459.01.0--0.20.08--0.050.4NiNF616A335-P920.080.50.459.00.452.00.20.080.0030.050.4NiE9110.120.20.519.00.940.90.20.06--0.060.25Ni12CrHT91(DINX20CrMoV121)0.200.40.612.01.0--0.250.5NiHT9(DINX20CrMoWV121)0.200.40.612.01.00.50.250.5NiHCM12SUS410J2TB0.100.30.5512.01.01.00.250.05--0.03--HCM12AA335-P122SUS410J3TB0.110.10.612.00.42.00.20.050.0030.061.0Cu2005年热机专业技术交流600MW超超临界机组四大管道设计第25页共22页600MW超超临界机组四大管道设计3.2新型耐高温管道材料在超超临界机组中的应用3.2.1新型耐高温管道材料的应用现状3.2.1.1国外(1)日本如上所述，日本在90年代大量推广使用P91、T91钢。在日本超超临界机组的高温高压的蒸汽管道中，绝大部分采用了这一钢种。最高应用的压力为川越电厂31.0MPa/566/566/566℃的超超临界机组；最高应用的温度则在原町电厂，蒸汽参数24.5MPa/600/600℃。在经过大量的使用之后，得出的运行经验也指出P91、T91钢推荐使用的参数为600℃。在2000年投运的橘湾电厂1050MW/600/610℃的超超临界机组的锅炉过热器和再热器出口联箱上首次使用了P122钢。日本超超临界电厂高温材料具体应用情况见表3-2。表3-2耐高温钢在日本电厂的应用发电所名会社名额定出力（MW）主蒸汽压力（Mpa）蒸汽温度（℃）运转开始（年月）主蒸汽管原町1号东北电力100024.5566/5931997-07P91松浦2号电源开关100024.1593/5931997-07P91三隅1号中国电力100024.5600/6001998-07P91七尾大田2号北陆电力70024.1593/5931998-07P91原町2号东北电力100024.5600/6001998-07P91橘湾四国电力70024.1566/5932000-07P91橘湾火力1号电源开关105025600/6102000-07P91敦贺2号北陆电力70024.1593/5932000-10HCM12A橘湾火力2号电源开关105025600/6102000-07HCM12A碧南4号中部电力100024.1566/5932001-11P91新矶子1号电源开关60025600/6102002-04HCM12A占东厚真4号北海道电力70025600/6102002-06HCM12A碧南5号中部电力100024.1566/5932002-11P91芩北2号九州电力70024.1593/5932003-07HCM12A常陆那珂1号东京电力100024.5600/6002003-12HCM12A广野5号东京电力70024.5600/6002004-07HCM12A舞鹤1号关西电力90024.5595/5952004-08HCM12A

(2)欧洲欧洲的丹麦和德国的机组比日本的机组压力稍高，由于管道壁厚增加较多，因此较多的应用了E911钢，另外试验性的应用了P92钢。表3-3列举了一些应用的电厂。表3-3新型含W钢在电厂的应用电厂名称材料牌号管道尺寸蒸汽参数MPa/℃安装时间Vestkraft#3P92ID240×3925/5601992NordjyllandsvaeketP92、P122ID160×4529/5821996Schkopau#BE911ID550×247/5601996Staudinger#1E911ID201×2221.3/5401996Skaerbaek#3E911ID230×6029/5821996GKKielP92ID480×285.3/5451997NiederaussemKE911ID250×55(主汽)ID510×38(热段)26.5/580/6002002从上述日本和欧洲超超临界机组应用情况来看，欧洲的超超临界机组较早的采用了P92、E911钢，而在日本的机组虽然温度普遍高于欧洲的机组，但其压力则要略低于欧洲的机组，目前基本局限于P92和P122钢的应用。总的来说，P92、P122、E911钢在超超临界机组中都还得到了一定的应用，积累了一定的运行性能方面的数据和经验。3.2.1.2国内近年来，随着大容量高参数发电机组的快速发展，P91钢的优良性能被我国的电力行业所认知，目前已作为亚临界600MW、超临界600MW机组主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道的首选。它的焊接技术要求也已被我国电力设备和施工单位所掌握，并建立了一套完整的工艺控制方法。由于目前国内投运的机组参数还相对较低，超超临界机组都还在建设阶段，P92钢和P122钢在国内还没有使用业绩。随着超超临界机组工程的投运，将为国内P92钢和P122钢材料的应用积累宝贵的经验。3.2.2适合应用于超超临界机组管道材料的范围根据管道材料发展的现状以及对高温蒸汽管道材料的要求来分析，可作为蒸汽参数范围24.2~30.0MPa、566℃～600℃的超超临界机组高温蒸汽管道的首选材料是铁素体耐高温钢材，因为其低的热膨胀系数和高的热导率可以允许较高的启停速率而不会导致部件严重的热疲劳损伤。目前采用的主要管道材料见表3-4。图3-5则表示这些耐高温蒸汽管道材料在不同温度下105小时的蠕变强度值。表3-4高温蒸汽管道材料材料牌号105小时蠕变强度达到100MPa的温度(℃)蒸汽温度偏差联箱/管道(℃)联箱/管道最佳的使用温度(℃)标准P9159515/5580/590ASME/DINE91161515/5600/610DINP122(HCM12A)62015/5605/615MITI/ASMEP92(NF616)62015/5605/615MITI/ASME注：表中此栏为推荐的管道最佳的使用温度，具体情况可根据实际情况优化决定。图3-5锅炉部分耐高温材料105小时蠕变强度3.2.3新型耐高温材料的综合性能在目前广泛使用的9%~12%Cr钢的使用温度最高可达620℃，并有较好的焊接性能和抗疲劳强度。它们在高温条件下的许用应力见图3-6。许用应力(MPa)许用应力(MPa)温度(温度(oC)图3-6铁素体钢许用应力比较图中可见，在600℃的工况下，P92和P122钢的许用应力比T/P91钢要大30%左右。T/P92钢和T/P122钢的成功开发，为现阶段超超临界参数的提高创造了一定的条件。图3-7表示在不同温度下的许用应力及对应的管道壁厚。当在给定的蒸汽参数条件下，材料的许用应力越高，则管道的壁厚越薄，这样同时会降低管道的热应力。此外，随着管道壁厚的减薄，安装焊接的难度和费用、管道支吊架的费用也会因此降低。许用应力MPa温度(℃许用应力MPa温度(℃)图3-7许用应力与对应的管道壁厚

3.3四大管道选材原则3.3.1主蒸汽和高温再热蒸汽管道选材原则对于大容量超超临界机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道，包括汽机旁路阀前管道的材料，将比常规亚临界机组面临更高压力和更高温度的考验。首先，管道材料的高温蠕变强度必须满足由于管道热膨胀而引起的热应力的要求。一般来说，适合于作为高温蒸汽管道的材料，其在工作温度下的105小时蠕变应力值应达到90~100MPa。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水平。对于以上要求，同时考虑到运行可靠性和经济因素，从而使主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料的选择范围很小。根据对耐高温管道材料的发展和新型耐高温管道材料在超超临界机组中的应用情况。适合应用于超超临界机组主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料主要有P91、P92、P122、E911这四种材料。3.3.2低温再热蒸汽管道选材原则由于高压缸的排汽压力受到低压缸排汽湿度的限制，高压缸正常工作时的最大排汽温度一般不会超过400℃。如果没有特殊要求，低温再热蒸汽管道可采用最高允许使用温度为427℃的A672B70CL32电熔焊接钢管。但对于高压缸最高允许排汽温度大于427℃的汽轮机，则最高允许使用温度为427℃的A672B70CL32电熔焊接钢管将不再适用，可采用A691Cr1-1/4CL22电熔焊接钢管，以保证机组的安全长期运行。根据汽轮机厂提供的数据，哈尔滨汽轮机厂的600MW超临界机组高压缸最高允许排汽温度为450℃，上海汽轮机厂的600MW超临界机组高压缸最高允许排汽温度为427℃，而东方汽轮机厂的600MW超临界机组高压缸最高允许排汽温度为432℃。根据汽轮机制造厂的解释，高压缸最高允许排汽温度仅可能出现在启动过程中，高排逆止阀开启前。可见，对低温再热蒸汽管道逆止阀前的管段，需要根据不同机型具体情况确定其材料。而逆止阀后的管段则均可采用A672B70CL32。但不管采用碳钢A672B70CL32还是低合金钢A691Cr1-1/4CL22，都不涉及新材料的应用。3.3.3给水管道选材原则对于给水管道，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℃，因此尽管超超临界机组的蒸汽参数提高得较多，给水温度仍将维持在300℃左右。此外，600MW超超临界机组给水管道压力只是略高于600MW超临界机组，就目前国内外高压给水管道普遍采用的WB36无缝钢管来说仍然适用超超临界机组，不涉及新材料的应用。3.4不同管道材料的技术经济比较3.4.1主蒸汽和高温再热蒸汽管道的经济性比较根据上述的分析，对于主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道，可供选择的材料主要有P91、P92、P122、E911，这四种材料在管道价格上也存在较大的差异，见表3-8。表3-8不同管道材料的价格对比材料P91P92P122E911价格比100%130%160%180%注：相同的重量条件下。在此我们根据前面拟定的管道设计参数，以汽机进汽参数25MPa/600℃/600℃为例，对采用P91、P92、P122和E911钢的主蒸汽管道和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3-9和表3-10。表3-9主蒸汽管道对比计算表管道名称主蒸汽（25MPa/600℃/600℃超超临界）管道材料P91P92P122E911主蒸汽流量(t/h)1795179517951795设计压力(MPa(g))26.2526.2526.2526.25设计温度(℃)610610610610管道规格(ID×tmm)406.4×110406.4×78406.4×84406.4×98流速(m/s)54.354.354.354.3公称管道规格(ID×tmm)409.6×117409.6×83409.6×89.4409.6×104.3公称单位重量(kg/m)1516100510971318每米管道重量比较0-33.7%-27.6%-13.1%每米管道价格比较0-3.7%+32.4%+66.9%表3-10高温再热蒸汽管道对比计算表管道名称高温再热蒸汽管道（25MPa/600℃/600℃超超临界）管道材料P91P92P122E911高温再热蒸汽流量(t/h)1464146414641464设计压力(MPa(g))5.6815.6815.6815.681设计温度(℃)608608608608管道规格(ID×tmm)851×45851×34851×36851×40流速(m/s)62.0662.0662.0662.06公称管道规格(ID×tmm)855.8×48.4855.8×36.6855.8×38.7855.8×43公称单位重量(kg/m)1076803852951每米管道重量比较0-25.4%-20.8%-11.6%每米管道价格比较0+4.6%+39.2%+68.4%根据表3-9和表3-10，我们可以得出以下结论：(1)对于25MPa/600℃/600℃超超临界机组，主蒸汽管道选用P92每米重量比P91每米重量减少33.7%，而相同重量管道价格P92为P91的130%，因此从投资角度来看，选用P92钢更为经济。(2)对于高温再热蒸汽管道来说，虽然蒸汽的温度较高，但由于蒸汽压力低，技术上P91钢还是适用的。经济性方面也是P91钢略好于P92钢。3.4.2主蒸汽和高温再热蒸汽管道的技术比较和可靠性分析3.4.2.1化学成分表3.4.2.1四种候选管道钢的化学成分ASME牌号其它规范CSiMnCrMoWVNbBN其它P91STBA280.10.40.4591.00.20.080.050.8NiE911E9110.120.20.5190.940.90.20.060.060.25NiP92NF616STBA290.070.060.4590.51.80.20.050.0040.06P122HCM12ASUS410J3TB0.110.10.612.00.42.00.20.050.0030.061.0CuP91在国内已经得到广泛应用，是一种改良的9CrMoVNbN钢，P92、E911是在P91基础上通过添加W取代部分Mo来提高高温强度的，其中E911含W0.9％，P92含W1.8％，三种材料含Cr量均为9%；P122Cr含量为12%，含W2.0％，由于Cr含量比较高，为了避免在组织中出现δ铁素体引起材料的脆性，添加了0.3~1.70%的Cu来降低Cr当量。3.4.2.2蠕变持久强度：P91在600℃下10万小时的持久强度为94MPa，E911为115MPa，P92和P122由于目前的试验时间还没有达到10万小时，ASME规范中现在的数据是日本新日铁和住友公司分别根据各自的短时间的蠕变断裂数据外推出来的，分别为132MPa和128MPa，在强度上P92和P122有较大的优势。然而，欧洲对日本目前所采用P92和P122数据外推的方法提出置疑，按照欧洲的外推，P92在600℃下10万小时的持久强度为115MPa，因此，这两种钢与E911比强度上仅仅略占优势，而且根据他们对P92较长时间的研究结果，P92、P122在长时间的运行中强度降低幅度比E911大。3.4.2.3焊接问题P91在国内已经得到长时间的应用，焊接上已经没有太大的技术问题。对P91焊接的经验可应用于P92，但所有新材料都需要考虑焊接工艺、技术培训等。降低焊缝的脆性是个重要的技术问题，需要从焊材和工艺方面进行解决，W含量对焊接有一定影响，P92和P122比P91和E911需要更长的焊后热处理时间来保证焊缝韧性。关于焊接裂纹敏感性，P92与E911接近，但作为12Cr钢的P122在焊接上会有较大的难度。焊缝的强度在短时间内与母材相当，但在长时间的运行中，在热影响区存在IV型裂纹倾向，强度可能会降低，因此采用这三种钢在管道对焊接接头的长期性能需要进行研究，提出相应的监督和评估措施和手段，保证焊接接头的安全。目前西安热工院正对P92焊接接头在模拟的服役环境下的长期力学性能、组织结构变化规律进行全面研究，其研究成果可为超超临界机组P92部件的金属监督提供有力的技术支撑。3.4.2.4运行中的组织稳定性作为高Cr铁素体耐热钢，供货状态为回火，在高温运行过程中的主要组织结构的变化主要包括位错密度的降低、固溶W析出形成Laves相等，前者降低高温强度，固溶W的减少也会降低高温强度，但析出的Laves相可适当弥补W的变化带来的强度影响，然而Laves相的析出会导致脆性的增加。在三种含W的耐热钢中，P122因为含有1.0%的Cu，会促进Laves相的析出和长大，在运行中的组织稳定性最差，E911和P92接近；现有的研究数据表明，运行10000小时后，P122的冲击韧性降低最明显，P92与E911也明显下降，P91冲击韧性变化最小。但目前缺乏更长时间的运行试验数据说明进一步的发展趋势。3.4.2.5高温蒸汽氧化与腐蚀性能耐热钢的抗蒸汽氧化性能主要取决于Cr和Si的含量，P91、P92和E911含Cr都是9%，其氧化与腐蚀性能相近，P122含Cr量为12%，抗氧化腐蚀性能有所提高。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，在600℃，4000h条件下，P92的氧化皮厚130μm，如按年运行小时5500小时，但我们分析认为，问题主要在过热器和再热器，对于600℃运行的主汽管道和再热汽热段管道，由于金属壁温的波动不频繁，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或12%Cr钢可以满足抗蒸汽氧化的性能要求，在主蒸汽管道壁厚计算中亦不考虑氧化腐蚀的裕量，而在运行中要加强对管道材料的金属监督。3.5600MW超超临界机组四大管道材料推荐意见四大管道是电厂系统的重要组成部分，管道材料的机械特性和高温性能将直接影响电厂机组的经济性及今后运行的可靠性。根据以上的技术经济分析比较，结合四大管道材料应用和发展的现状，对于600MW超超临界参数的机组，推荐四大管道的材料如下：(1)高压给水管道采用WB36材料。(2)低温再热蒸汽管道根据不同机型的具体情况确定其材料。采用碳钢A672B70CL32或低合金钢A691Cr1-1/4CL22。(3)主蒸汽管道，对于超超临界参数，P91虽然国内有足够的使用经验，但材料已应用到最高限度温度，由于在610℃的许用应力低，计算壁厚达到104mm，单道焊口焊接施工时间长，焊接成本高，更重要的是难以保证质量，同时P91在600℃下材料老化加速，厚壁P91主汽管道的热应力大，长期运行安全难以保证，也不符合国际上最近几年的选材趋势，同时其经济性也略逊于P92，因此不建议采用P91作为主汽管道材料。P92、P122和E911从技术上都能满足要求，其中P122尽管抗蒸汽氧化能力较强，但材料的焊接性能不好，焊接比较困难，长时间高温运行的组织稳定性稍差；E911高温强度在三者中最低，且目前P122、E911钢价格偏高，经济上明显没有优势。而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。综合技术经济因素和目前国内正在建设中的超超临界机组的材料选用趋势，推荐优先采用P92钢。(4)高温再热蒸汽管道选择P91钢或P92钢均能满足要求，因为高温再热蒸汽管道的压力比较低，采用P91钢管道壁厚适中，且经济性也较好,如果选择P92、P122、E911壁厚偏薄，管件加工难度增大，综合技术经济因素考虑可优先选择P91钢。4四大管道规格的拟定四大管道设计参数及规格详见表4-1。

表4-1四大管道设计参数及规格一览表（25MPa/600℃/600℃超超临界机组）序号管道名称设计压力MPa(a)设计温度℃流量t/h管道规格材料1主蒸汽管道半容量管26.25610897.5Φn292×57P92全容量管26.256101795Φn406.4×78P922热再热蒸汽管道半容量管5.681608732Φn597×32P91全容量管5.6816081464Φn851×45P913冷再热蒸汽管道半容量管5.681369815Φ660×20A672B70CL32全容量管5.6813691630Φ914×27A672B70CL324汽机高压旁路管道汽机高压旁路进口管道26.25610538.5Φn235×46P92汽机高压旁路出口管道5.681369664Φ559×17.5A672B70CL325汽轮机低压旁路管道汽机低压旁路进口管道5.681608664Φn597×32P91汽机低压旁路出口管道1.2200905Φ1067×10A672B70CL326主给水管道主给水管道主管34.5292.51795Φ508×52WB36主给水泵关断门前直管（汽泵）~38292.5897.5Φ355.6×40WB36主给水泵关断门后直管（汽泵）34.5292.5897.5Φ355.6×37WB36主给水泵关断门前直管（电泵）~38292.5538.5Φ273×30WB36主给水泵关断门后直管（电泵）34.5292.5538.5Φ273×28WB36从以上表格可以看出，对于600MW超超临界机组，低温再热蒸汽管道和高压给水管道的材料和规格基本没有大的变化，主要差别在于主蒸汽管道和高温再热蒸汽。55.1焊接工艺对于600MW超临界机组，WB36，A672B70CL32或低合金钢A691Cr1-1/4CL22，P91在国内已经得到较长时间的应用，焊接上已经没有太大的技术问题，这里就不再论证。而对于600MW超超临界机组，则涉及新材料P92的应用。A335P92钢为近几年出现的新型马氏体耐热钢，是在P91的基础上增加了W，降低了Mo含量。这种钢除了固溶强化和沉淀强化外，主要通过了微合金化、控制扎制、形变热处理及控冷获得了高密度位错和高度细化的晶粒，从而使这类钢种在进一步强化的同时其韧性也获得了显著提高。焊接过程应严格控制焊接、热处理工艺，改变焊工焊接的传统观念。根据国外资料介绍，P92钢的组织性能及焊接具有以下特点：(1)P92钢在正火加回火状态下使用，组织为回火马氏体。焊态下马氏体组织硬度高、韧性低。因此，必须注意防止焊接过程中及焊后热处理之前防止产生冷裂纹。焊前预热温度一般为200～250℃，根据国外的研究经验，预热150℃以上可完全防止产生冷裂纹。(2)研究表明P92钢与P91钢相比，由于W的加入虽然提高了高温强度，但组织稳定性不如P91，特别是Laves相、Z相的析出和长大过程加速，使冲击性等力学性能的降低显著。对于焊接接头而言，由于冲击功比母材低得多，如果长期运行中进一步降低将对机组的安全性带来威胁，因此如何保证焊缝金属具有合适的冲击韧性将是焊接P92工作的一项重要内容。(3)P92钢与其他铁素体/马氏体类耐热钢一样，其焊接接头在长期高温运行中在焊接热影响区中有IV型开裂的现象，将可能导致其持久强度比母材降低。因此需要对焊接工艺进行优化（为了防止产生IV型裂纹，焊接时在保证熔化良好，不产生焊接冷裂纹的基础上，应尽量不采用过高的预热温度及层间温度，不采用过大的焊接线能量，采取多层多道焊，焊层厚度为2～3mm，确保上层焊道对下层焊道的回火作用，尽力使热影响区软化带变得窄一些，软化带宽度越窄，其拘束强化作用越强，软化带的影响越小）、改善管系的应力分布（在管道设计中应合理布置管道走向及支吊约束，使整个管系的应力分配尽量作到均匀分布，在主蒸汽管道中不采用焊制三通并尽量采用弯管来替代弯头等）、采取早期诊断措施等来减小IV型裂纹的风险。在运行中加强对P92部件母材和焊接接头的金属监督工作。由于焊接接头的热影响区在长期运行多久会可能出现IV型裂纹，将导致其持久强度比母材降低多少，目前还缺乏有力的数据，在主蒸汽管道的壁厚计算中目前暂不考虑焊接接头热影响区持久强度降低的因素，目前西安热工院正对P92焊接接头在模拟的服役环境下的长期力学性能、组织结构变化规律进行全面研究，其研究成果可为超超临界机组P92管道和部件的设计、焊接和金属监督提供有力的技术支撑。目前国内掌握的焊接工艺：（1）焊接方法外径≤76mm、壁厚＜6mm的小径薄壁管：进行钨极氩弧焊；外径＞76mm的中、大径管：采用钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充并盖面。（2）焊接材料应符合以下基本条件，并满足Aws有关标准要求。a.焊缝金属的化学成分以及常温和高温力学性能应与母材相当；b.焊缝金属的Acl和Mf温度应与母材相当；c.焊接工艺性能良好。做好电焊条保管、烘干、使用和管理工作。（3）为防止根层焊缝金属氧化，小径薄壁管钨极氩弧焊时，以及大径管钨极氩弧焊打底和焊条填充第一层焊接时，应在管子内腔充氩保护。（4）焊前预热温度：钨极氩弧焊打底100～200℃焊条电弧焊填充并盖面：200～250℃层间温度：200～300℃（5）大径厚壁管采取多层多道焊，盖面层焊退火焊道。钨极氩弧焊打底的焊层厚度控制在2.8～3.2mm范围内。焊条电弧焊时，所焊焊道的厚度不得超过焊条直径，宽度不得超过焊条直径的4倍。任一焊道的焊接线能量均不得超过20KJ/cm。（6）大径管焊口焊毕，待其冷却到80～120℃恒温1小时以上，随即升温进行焊后热处理。小径薄壁管焊口焊后允许冷至室温再进行热处理。热处理温度是760±10℃，恒温时间：P92钢焊口按壁厚25毫米1小时计算，但最少不得小于4小时，T92钢焊口按壁厚每毫米5分钟计算，且不小于0.5小时。（7）P92/T