超超临界机组四大管道材质的选择
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新型含 W 钢在欧洲电厂的应用 管道尺寸 ID240×39 ID160×45 ID550×24 ID201×22 ID230×60 P92 ID250×55(主汽) ID510×38(热段) 蒸汽参数 MPa/℃ 25／560 29／582 7/560 21.3／540 29／582 ID480×28 26.5／580／600 安装时间 1992 1996 1996 1996 1996 5.3／545 2002
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四大管道的选择
火力发电厂四大管道一般系指主蒸汽 管道，再热蒸汽热段管道，再热蒸汽冷段管 道和高压给水管道。 2．1 管径选取 目前国际上超超临界 1000MW 等级大容量 机组的主蒸汽管道、高温再热管道、高压给 表 1 玉环电厂四大管道设计参数表 序号 1 2 3 管道名称 主蒸汽管道 半容量管 热再热蒸汽管道 半容量管 冷再热蒸汽管道 主管 支管(半容量) 4 主给水管道 主给水管道主管 主给水管道半容量管 35.5 35.5 7.237 7.237 7.237 27.6 设计压力 MPa(a)
超超临界机组四大管道材质的选择
华北电力设计院 雷光庭 龚立贤
［内容提要］介绍了国产 1000MW、600MW 超超临界机组的参数，四大管道设计的压力、温度。 介绍了日本、欧洲一些电厂超超临界机组采用的管材。 对几种耐热钢材进行了比较，对超超临界机组四大管道选材提出了建议。对主蒸汽管道 材质多采用 P92，对再热汽热段管道宜采用 P91，对再热汽冷段管道宜采用 A672B70CL32，对 高压给水管道宜采用 WB36。 给出了日本最新的 P122 和 P91 许用应力值，供计算壁厚参考。 ［关键词］超超临界机组 管道 选材 随着我国经济稳定快速的发展，人民生 活水平的不断提高，对电能需求不断增加， 发展超超临界机组将是我国火力发电提高 效率，节约能源，改善环境，降低发电成本 的必然趋势。而这一发展与采用新型耐热钢 材密不可分，电厂四大管道是火电厂热力系 统的重要组成部分，管道材料的机械性能和 高温性能将直接影响电厂机组的安全、可靠 性和运行的经济性，如果材料选择不当，将 可能危及机组安全运行，影响电厂经济效 益。 超超临界机组在我国是一个暂新的问 题，大家均没有经验或经验不足，所以必须 以科学的态度认真对待。 编者最近承担了超超临界机组的设计 监理工作，搜集了国内外超超临界机组四大 管道采用的材质，对几种耐热钢进行了研 究，并提出了比较，对四大管道选材提出了 建议。 本文供从事超超临界机组管道设计人 员、设计和施工监理人员、建设单位、施工 单位有关人员参考。 的工作压力大于水的临介状态点的压力 (pc=22.115MPa)时，我们称该类机组为超临 界机组，目前国内超临界机组的蒸汽参数为 24.2MPa／538／566℃或 24.2MPa／566／ 566℃。 所谓超超临界机组是相对超临界机组 而言，国际上普遍认为，在超临界机组基础 之上，将压力及温度再提高一个档次，即为 超超临界机组， 对我国而言， 一般压力 25MPa 及以上温度 600℃及以上的机组，即为超超 临界机组。 国内经过几年各有关单位的多次论证， 同时考虑到国际上发展的趋势，我国超超临 界机组(USC)的容量和参数，基本取得一致 意见：在容量上分为 600MW 和 1000MW 两个 等级，在蒸汽参数上按汽机主汽门入口计压 力为 25～26.5MPa 温度为 600／600℃。 国内目前正在或准备建设的超超临界 机组的火力发电厂有： 1000MW 级：邹县四期、外高桥三期、泰 州电厂、华能玉环电厂、天津北疆电厂等。 600MW 级：华能营口电厂、阚山电厂、 河源电厂、铁岭电厂、蒲州电厂、芜湖电厂 等。 华能玉环电厂、天津北疆电厂 1000MW 机组，主要参数如下： 锅炉参数：玉环电厂 27．56MPa、605 ℃／603℃ 北疆电厂 27．46MPa、603℃／603℃ 汽机参数：26．25MPa、600℃／600℃
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超超临界机组的参数
超超临界机组(Vltra Supercritical) 或 高 效 超 临 界 机 组 (High Efficiency Supercritical)国内对超超临界机组的参 数的介定目前没有统一的说法，通常有两种 说法，其一为： 对于电力发电机组，当做功介质水蒸汽
营口电厂二期、河源电厂、阚山电厂、 芜湖电厂 600MW 级机组主要参数如下： 锅炉参数：26．15MPa、605℃／603℃ 汽机参数：25MPa、600℃／600℃
水管道，大多数采用双列式。国内超临界和 超超临界 600MW 级机组， 管道均采用单列式， 1000MW 机组的单列容量仅为 500MW，小于单 列的 600MW 机组，而低温再热管道又采用电 熔焊接钢管，因此，四大管道的管径不会对 发展 1000MW 等级超超临界机组构成影响。 华能玉环电厂为国内第一个开始建设 的 1000MW 超超临界机组，华东院对该工程 四大管道设计参数，见表 1：
数据外推出来的， 分别为 132MPa 和 128MPa， P91/600℃ 105h 持久强度为 94MPa， E911 为 115MPa 根据 105h 蠕变应力值，可计算出管 壁厚度进而推算出 4 种钢材单位长度的重量 比： P91 ∶ E911 ∶ P92 ∶ P122=100 ∶ 92 ∶ 61∶66 从高温热强度看 P92 和 P122 有较大的 优势，则其管壁可以相对较薄，既可节省初 投资，又可解决管壁过厚的焊接问题及管道 设计问题。 但欧洲对日本的外推法有疑意，他们推 算结果 P92 在 600℃ 105h 时持久强度仅为 115MPa，与 E911 相比在强度上略占优势， 他们在长期研究后认为 P91 及 P122 在长期 运行中强度降低比 E911 大，故主汽及再热 热管道选材和计算时，应慎重对待。由于材 料很新，没有经过 105h 试验，人们对其性 能的认识还有反复，为此，中国电机工程学 会火力发电分会于 2005 年 10 月 11～12 日 在西安召开的“超超临界机组主蒸汽管道材 料技术专题研讨会”会议提出如下意见可供 设计及建设单位参考。 ①根据欧洲 ECCC 对 P92、E911 以及日
设计温度℃ 610 608 515 515 297.7 297.7
流量 t／h 1476 1223 2446 1223 2952 1476
度、耐高温腐蚀、耐汽侧氧化、有良好的焊 2．2 管材选择 接及加工性能，经济上比较合理，对四大管 2．2．1 国外超超临界机组主蒸汽及热再 道除耐高温腐蚀外，其他性能均应具备。 热管道使用情况 自二十世纪九十年代，日本和欧洲开发 开发 USC 机组和建设该类电厂的设计关 了新的高温钢材，表 2、表 3 列出了日本设 键之一是选择合适的钢材，不论是汽机本 计 2000 年以后投产的若干电厂使用的钢管 体、锅炉水冷壁、过热器、再热器，还是四 材料和欧洲新型含 W 钢在欧洲电厂中应用的 大管道，均应选择合适的钢材，合适的钢材 情况： 一般考虑以下因素：要求具有高的高温热强 表 2 日本设计 2000 年以来投产的 USC 机组使用的钢管材料 电厂名称／ 机组台号 Boxberg 敦贺／2 橘湾／2 Avedore／2 Niederaussem ／K 出力 MW 915 760 1050 400 975 蒸汽参数 MPa／℃／℃ 26.4／555／ 575 24.1／593／ 593 25／600／610 30.5／582／ 600 26.5／580／ 600 燃料 褐煤 煤粉 煤粉 天然气 褐煤 投产 年份 2000 2000 2001 2001 2002 汽管 材料 P91 P122 P122 P92 E911 过热器／再热器材料 1.4910 Super304h／hr3c Super304h／hr3c TP347HFG TP347HFG
电厂名称 Vestkraft#3 Nordjyl landsvaeket Schkopau#B Staudinger#1 Skaerbaek#3 GK NiederaussemK
材料牌号 P92 P92、P122 E911 E911 E911 Kiel E911
由表 2、表 3 可以看出：对主蒸汽及再 热热管道使用较多的钢材为 P92、P122 及 E911。 P91 钢管，因高温许用应力低，钢管壁 厚较大，管道刚度大，管道热应力计算不好 过关，对设备推力较大，且影响机组变负荷 速率， 材料总价格比 P92 等材料还高， 故 2000 年后很少采用。 欧洲的超临介机组， 较早的采用了 P92、 E911。日本机组虽然温度普遍高于欧洲机 组，但其压力则略低于欧洲机组，目前多采 用 P91、P92 和 P122。 2．2．2 几种耐热钢材的比较 2．2．2．1 对主汽和再热热管道首先考虑 的是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，一般说来 适合于作高温管道的材料，在其工作温度下 的 105h 蠕变应力值， 应能达到 90～100MPa， 同时要求管道材料的热胀系数比较小，且导 热系数较大，从而能降低管道内的热应力水 平。 如 P92 及 P122 钢材，由于目前的试验 未达到 105h，ASMe 规范中现在的数据是日 本新日铁和住友公司根据短时间蠕变断裂
新矶子／1 常陆那珂／1 广野／5 舞鹤／1
600 1000 700 900
25.5／600／ 610 24.5／600／ 600 24.5／600／ 600 24.5／595／ 595 表3
煤粉 煤粉 煤粉 煤粉
2002 2003 2004 2004
P122 P122 P122 P122
Super304H／ TempaloyA-1 Super304H／ TP347HFG Super304H／HR3C Super304H／HR3C
本对 P122 等材料持久强度的最近评估结果， 与原有的 ASME code Cuse 中提供的数据相 比，持久强度有不同程度的降低，由此会导 致材料许用应力的不同，会议认为新的数据 更为可靠，因此，在选用主蒸汽管道壁厚及 应力计算时，应适当降低材料的许用应力， 降低幅度由业主、设计单位和制造厂协商。 ②因 9-12％Cr 马氏体耐热钢许用应力 的选取急需指导性意见，会议建议由电站金 属材料标准化技术委员会组织，与有关单位 共同起草一个有关新材料许用应力选取的 指导性技术文件，供超超临界机组蒸汽管道 设计时参考。 ③对已按照原有数据设计的机组蒸汽 管道，应开展在安装和未来运行中金属监督 的研究。 ④欧洲 ECCC2005 年评估的新钢材持久 强度数据见表 6，仅供参考。 2．2．2．2 运行中钢材组织的稳定性 目前主蒸汽及再热热管道可选用的钢 材均为 Cr 铁素体耐热钢，供货状态为回火， 在高温运行中其组织结构变化主要包括，位 错密度降低，固溶 W 析出形成 Laves 相等， 前者降低高温强度，固溶 W 减少也会降低强 度，三种钢材中 P122 因含有 1．0％的 Cu 会 促使 Laves 相的析出和长大，在长期运行中 稳定性最差，E911 和 P92 接近，运行 105h 后 P122 冲击韧性降低最明显，P92 和 E911 也明显降低，P91 冲击韧性变化最少。 2．2．2．3 焊接问题三种材料均为新材料 降低焊接的脆性是重要技术问题，需要从焊 材和工艺方面进行解决，W 含量有一定影响 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，焊缝裂纹 的敏感性，P92 与 E911 接近，但做为 12Cr 钢的 P122 在焊接上会有更大的难度。 2．2．2．4 高温蒸汽抗氧化性能 耐热钢抗氧化能力主要取决于 Cr 和 Si 的含量，P91、P92 和 E911 含 Cr 都是 9％， 其抗氧化能力相近，P122 含 Cr 量为 12％抗 氧化能力有所提高，在超超临界机组中，由 于蒸汽温度提高，蒸汽侧氧化和氧化层的剥 落问题，比亚临界机组更为严重，国外超超 临界机组中有因为严重的蒸汽氧化问题被
新型含 W 钢在欧洲电厂的应用 管道尺寸 ID240×39 ID160×45 ID550×24 ID201×22 ID230×60 P92 ID250×55(主汽) ID510×38(热段) 蒸汽参数 MPa/℃ 25／560 29／582 7/560 21.3／540 29／582 ID480×28 26.5／580／600 安装时间 1992 1996 1996 1996 1996 5.3／545 2002
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四大管道的选择
火力发电厂四大管道一般系指主蒸汽 管道，再热蒸汽热段管道，再热蒸汽冷段管 道和高压给水管道。 2．1 管径选取 目前国际上超超临界 1000MW 等级大容量 机组的主蒸汽管道、高温再热管道、高压给 表 1 玉环电厂四大管道设计参数表 序号 1 2 3 管道名称 主蒸汽管道 半容量管 热再热蒸汽管道 半容量管 冷再热蒸汽管道 主管 支管(半容量) 4 主给水管道 主给水管道主管 主给水管道半容量管 35.5 35.5 7.237 7.237 7.237 27.6 设计压力 MPa(a)
超超临界机组四大管道材质的选择
华北电力设计院 雷光庭 龚立贤
［内容提要］介绍了国产 1000MW、600MW 超超临界机组的参数，四大管道设计的压力、温度。 介绍了日本、欧洲一些电厂超超临界机组采用的管材。 对几种耐热钢材进行了比较，对超超临界机组四大管道选材提出了建议。对主蒸汽管道 材质多采用 P92，对再热汽热段管道宜采用 P91，对再热汽冷段管道宜采用 A672B70CL32，对 高压给水管道宜采用 WB36。 给出了日本最新的 P122 和 P91 许用应力值，供计算壁厚参考。 ［关键词］超超临界机组 管道 选材 随着我国经济稳定快速的发展，人民生 活水平的不断提高，对电能需求不断增加， 发展超超临界机组将是我国火力发电提高 效率，节约能源，改善环境，降低发电成本 的必然趋势。而这一发展与采用新型耐热钢 材密不可分，电厂四大管道是火电厂热力系 统的重要组成部分，管道材料的机械性能和 高温性能将直接影响电厂机组的安全、可靠 性和运行的经济性，如果材料选择不当，将 可能危及机组安全运行，影响电厂经济效 益。 超超临界机组在我国是一个暂新的问 题，大家均没有经验或经验不足，所以必须 以科学的态度认真对待。 编者最近承担了超超临界机组的设计 监理工作，搜集了国内外超超临界机组四大 管道采用的材质，对几种耐热钢进行了研 究，并提出了比较，对四大管道选材提出了 建议。 本文供从事超超临界机组管道设计人 员、设计和施工监理人员、建设单位、施工 单位有关人员参考。 的工作压力大于水的临介状态点的压力 (pc=22.115MPa)时，我们称该类机组为超临 界机组，目前国内超临界机组的蒸汽参数为 24.2MPa／538／566℃或 24.2MPa／566／ 566℃。 所谓超超临界机组是相对超临界机组 而言，国际上普遍认为，在超临界机组基础 之上，将压力及温度再提高一个档次，即为 超超临界机组， 对我国而言， 一般压力 25MPa 及以上温度 600℃及以上的机组，即为超超 临界机组。 国内经过几年各有关单位的多次论证， 同时考虑到国际上发展的趋势，我国超超临 界机组(USC)的容量和参数，基本取得一致 意见：在容量上分为 600MW 和 1000MW 两个 等级，在蒸汽参数上按汽机主汽门入口计压 力为 25～26.5MPa 温度为 600／600℃。 国内目前正在或准备建设的超超临界 机组的火力发电厂有： 1000MW 级：邹县四期、外高桥三期、泰 州电厂、华能玉环电厂、天津北疆电厂等。 600MW 级：华能营口电厂、阚山电厂、 河源电厂、铁岭电厂、蒲州电厂、芜湖电厂 等。 华能玉环电厂、天津北疆电厂 1000MW 机组，主要参数如下： 锅炉参数：玉环电厂 27．56MPa、605 ℃／603℃ 北疆电厂 27．46MPa、603℃／603℃ 汽机参数：26．25MPa、600℃／600℃
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超超临界机组的参数
超超临界机组(Vltra Supercritical) 或 高 效 超 临 界 机 组 (High Efficiency Supercritical)国内对超超临界机组的参 数的介定目前没有统一的说法，通常有两种 说法，其一为： 对于电力发电机组，当做功介质水蒸汽
营口电厂二期、河源电厂、阚山电厂、 芜湖电厂 600MW 级机组主要参数如下： 锅炉参数：26．15MPa、605℃／603℃ 汽机参数：25MPa、600℃／600℃
水管道，大多数采用双列式。国内超临界和 超超临界 600MW 级机组， 管道均采用单列式， 1000MW 机组的单列容量仅为 500MW，小于单 列的 600MW 机组，而低温再热管道又采用电 熔焊接钢管，因此，四大管道的管径不会对 发展 1000MW 等级超超临界机组构成影响。 华能玉环电厂为国内第一个开始建设 的 1000MW 超超临界机组，华东院对该工程 四大管道设计参数，见表 1：
数据外推出来的， 分别为 132MPa 和 128MPa， P91/600℃ 105h 持久强度为 94MPa， E911 为 115MPa 根据 105h 蠕变应力值，可计算出管 壁厚度进而推算出 4 种钢材单位长度的重量 比： P91 ∶ E911 ∶ P92 ∶ P122=100 ∶ 92 ∶ 61∶66 从高温热强度看 P92 和 P122 有较大的 优势，则其管壁可以相对较薄，既可节省初 投资，又可解决管壁过厚的焊接问题及管道 设计问题。 但欧洲对日本的外推法有疑意，他们推 算结果 P92 在 600℃ 105h 时持久强度仅为 115MPa，与 E911 相比在强度上略占优势， 他们在长期研究后认为 P91 及 P122 在长期 运行中强度降低比 E911 大，故主汽及再热 热管道选材和计算时，应慎重对待。由于材 料很新，没有经过 105h 试验，人们对其性 能的认识还有反复，为此，中国电机工程学 会火力发电分会于 2005 年 10 月 11～12 日 在西安召开的“超超临界机组主蒸汽管道材 料技术专题研讨会”会议提出如下意见可供 设计及建设单位参考。 ①根据欧洲 ECCC 对 P92、E911 以及日
设计温度℃ 610 608 515 515 297.7 297.7
流量 t／h 1476 1223 2446 1223 2952 1476
度、耐高温腐蚀、耐汽侧氧化、有良好的焊 2．2 管材选择 接及加工性能，经济上比较合理，对四大管 2．2．1 国外超超临界机组主蒸汽及热再 道除耐高温腐蚀外，其他性能均应具备。 热管道使用情况 自二十世纪九十年代，日本和欧洲开发 开发 USC 机组和建设该类电厂的设计关 了新的高温钢材，表 2、表 3 列出了日本设 键之一是选择合适的钢材，不论是汽机本 计 2000 年以后投产的若干电厂使用的钢管 体、锅炉水冷壁、过热器、再热器，还是四 材料和欧洲新型含 W 钢在欧洲电厂中应用的 大管道，均应选择合适的钢材，合适的钢材 情况： 一般考虑以下因素：要求具有高的高温热强 表 2 日本设计 2000 年以来投产的 USC 机组使用的钢管材料 电厂名称／ 机组台号 Boxberg 敦贺／2 橘湾／2 Avedore／2 Niederaussem ／K 出力 MW 915 760 1050 400 975 蒸汽参数 MPa／℃／℃ 26.4／555／ 575 24.1／593／ 593 25／600／610 30.5／582／ 600 26.5／580／ 600 燃料 褐煤 煤粉 煤粉 天然气 褐煤 投产 年份 2000 2000 2001 2001 2002 汽管 材料 P91 P122 P122 P92 E911 过热器／再热器材料 1.4910 Super304h／hr3c Super304h／hr3c TP347HFG TP347HFG
电厂名称 Vestkraft#3 Nordjyl landsvaeket Schkopau#B Staudinger#1 Skaerbaek#3 GK NiederaussemK
材料牌号 P92 P92、P122 E911 E911 E911 Kiel E911
由表 2、表 3 可以看出：对主蒸汽及再 热热管道使用较多的钢材为 P92、P122 及 E911。 P91 钢管，因高温许用应力低，钢管壁 厚较大，管道刚度大，管道热应力计算不好 过关，对设备推力较大，且影响机组变负荷 速率， 材料总价格比 P92 等材料还高， 故 2000 年后很少采用。 欧洲的超临介机组， 较早的采用了 P92、 E911。日本机组虽然温度普遍高于欧洲机 组，但其压力则略低于欧洲机组，目前多采 用 P91、P92 和 P122。 2．2．2 几种耐热钢材的比较 2．2．2．1 对主汽和再热热管道首先考虑 的是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，一般说来 适合于作高温管道的材料，在其工作温度下 的 105h 蠕变应力值， 应能达到 90～100MPa， 同时要求管道材料的热胀系数比较小，且导 热系数较大，从而能降低管道内的热应力水 平。 如 P92 及 P122 钢材，由于目前的试验 未达到 105h，ASMe 规范中现在的数据是日 本新日铁和住友公司根据短时间蠕变断裂
新矶子／1 常陆那珂／1 广野／5 舞鹤／1
600 1000 700 900
25.5／600／ 610 24.5／600／ 600 24.5／600／ 600 24.5／595／ 595 表3
煤粉 煤粉 煤粉 煤粉
2002 2003 2004 2004
P122 P122 P122 P122
Super304H／ TempaloyA-1 Super304H／ TP347HFG Super304H／HR3C Super304H／HR3C
本对 P122 等材料持久强度的最近评估结果， 与原有的 ASME code Cuse 中提供的数据相 比，持久强度有不同程度的降低，由此会导 致材料许用应力的不同，会议认为新的数据 更为可靠，因此，在选用主蒸汽管道壁厚及 应力计算时，应适当降低材料的许用应力， 降低幅度由业主、设计单位和制造厂协商。 ②因 9-12％Cr 马氏体耐热钢许用应力 的选取急需指导性意见，会议建议由电站金 属材料标准化技术委员会组织，与有关单位 共同起草一个有关新材料许用应力选取的 指导性技术文件，供超超临界机组蒸汽管道 设计时参考。 ③对已按照原有数据设计的机组蒸汽 管道，应开展在安装和未来运行中金属监督 的研究。 ④欧洲 ECCC2005 年评估的新钢材持久 强度数据见表 6，仅供参考。 2．2．2．2 运行中钢材组织的稳定性 目前主蒸汽及再热热管道可选用的钢 材均为 Cr 铁素体耐热钢，供货状态为回火， 在高温运行中其组织结构变化主要包括，位 错密度降低，固溶 W 析出形成 Laves 相等， 前者降低高温强度，固溶 W 减少也会降低强 度，三种钢材中 P122 因含有 1．0％的 Cu 会 促使 Laves 相的析出和长大，在长期运行中 稳定性最差，E911 和 P92 接近，运行 105h 后 P122 冲击韧性降低最明显，P92 和 E911 也明显降低，P91 冲击韧性变化最少。 2．2．2．3 焊接问题三种材料均为新材料 降低焊接的脆性是重要技术问题，需要从焊 材和工艺方面进行解决，W 含量有一定影响 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，焊缝裂纹 的敏感性，P92 与 E911 接近，但做为 12Cr 钢的 P122 在焊接上会有更大的难度。 2．2．2．4 高温蒸汽抗氧化性能 耐热钢抗氧化能力主要取决于 Cr 和 Si 的含量，P91、P92 和 E911 含 Cr 都是 9％， 其抗氧化能力相近，P122 含 Cr 量为 12％抗 氧化能力有所提高，在超超临界机组中，由 于蒸汽温度提高，蒸汽侧氧化和氧化层的剥 落问题，比亚临界机组更为严重，国外超超 临界机组中有因为严重的蒸汽氧化问题被