超超临界火电机组四大管道选材分析

超超临界火电机组四大管道选材分析

申松林

华东电力设计院，上海市，200063

摘要：超超临界600MW及1000MW等级火电机组这几年在我国迅速发展，本文结合国内外参数相近火电机组四大管道材料的选择，介绍新材料的性能及应用状况，综合考虑电厂投资、运行、安全等诸多方面因素，说明四大管道选材的相关内容，供相似工程参考。

关键词：超超临界；四大管道；新材料

1前言

随着我国经济的稳定、快速发展，对能源需求不断增加，同时环保要求也不断提高。发展大容量高参数机组，特别是超超临界机组将是我国火力发电提高发电效率、节约一次能源、改善环境、降低发电成本的必然趋势。而这一发展与大量新型耐热合金钢材的开发与应用是分不开的。可以说，电力技术的发展在很大程度上取决于材料技术的发展。

本报告针对国内外超超临界机组四大管道材料的选择进行分析，供超超临界火电机组四大管道选材时参考。

2定义

2.1超超临界机组

对于火力发电机组，当机组作功介质蒸汽的工作压力大于水的临界状态点压力

（P c=22.115MPa）时，我们称之为超临界机组。目前常规的超临界机组蒸汽参数一般为

24.2MPa/538/566o C或24.2MPa/566/566o C。

所谓超超临界机组（Ultra Supercritical）是相对于常规超临界机组的蒸汽参数而言的，我国电力百科全书中称：通常把蒸汽压力高于27MPa的超临界机组称为超超临界机组；国际上普遍认为在常规超临界参数的基础上压力和温度再提升一个档次，也就是工作压力超过24.2MPa或者主蒸汽（或再热蒸汽）温度超过566o C，都属于超超临界机组的范畴。超超临界机组也称为高效超临界机组（High Efficiency Supercritical）。

目前国外超超临界机组参数为初压力24.1~31MPa、主蒸汽/再热蒸汽温度

580~600/580~610℃。国内正在建设的超超临界机组参数为初压力25~26.5MPa、主蒸汽/再热蒸汽温度600/600℃。

2.2四大管道

四大管道指主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道（热段）、低温再热蒸汽管道（冷段）和高压给水管道。

3选材原则

目前国际上超超临界1000MW等级大容量机组的主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、高压给水管道大多采用双列式，管道管径的单列容量仅500MW、小于单列的600MW机组，而低

温再热蒸汽管道又采用焊接钢管。因此，四大管道的管径并不会对发展1000MW等级超超临界机组构成影响。

四大管道材料的选择主要还是取决于蒸汽参数。华能玉环电厂工程为国内第一个开始建设的超超临界机组，额定出力为1000MW，机组参数为26.25MPa/600/600℃，四大管道管道的设计参数、介质流量等详见表3-1。

表3-1四大管道设计参数表

序号管道名称设计压力

MPa(a)

设计温度

℃

流量

t/h

1主蒸汽管道

半容量管27.66101476 2热再热蒸汽管道

半容量管7.2376081223 3冷再热蒸汽管道

主管7.2375152446

支管（半容量）7.2375151223 4主给水管道

主给水管道主管35.5297.72952

主给水管道半容量管35.5297.71476

3.1主蒸汽和高温再热蒸汽管道

对于大容量超超临界机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道，将比常规超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，使主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料的选择范围很小。

3.2低温再热蒸汽管道

对于低温再热蒸汽管道，虽然主蒸汽压力提高，但是受到低压缸排汽湿度的限制，高压缸的排汽压力变化不大，因此其正常工作最大排汽温度也不会超过400℃。如果机组没有特殊要求，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。

但对于一些工程，由于系统有特殊要求，如外高桥电厂二期超临界2×900MW工程旁路阀有安全阀作用，同时根据Siemens的说明，其汽轮机高压缸排汽在某些状况会出现温度高达515℃，故低温再热蒸汽管道采用A691Cr1-1/4CL22电熔焊接钢管，以保证机组的安全长期运行。华能玉环电厂也因汽轮机有同样要求，低温再热蒸汽管道采用A691Cr1-1/4CL22电熔焊接钢管。

可见，对低温再热蒸汽管道，需要根据不同工程的具体情况确定其材料。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给水管道

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，而目前建设的超超临界机组给水管道压力只是略高600MW超临界机组，就目前国内外高压给水管道普遍采用的15NiCuMoNb5无缝钢管来说仍然适用，不涉及新材料的应用。

鉴于上述原因，本文将着重结合高温材料的发展历程及现状，对超超临界机组的主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道材料的选择进行论述分析。

4耐高温钢材的发展

4.1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≤580℃

10CrMo910≤580℃

A335P22≤580℃

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，但是其相对于的马氏体合金钢，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。

4.2铁素体/马氏体钢

4.2.1EM12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。

4.2.2F12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4-1），使用温度可达630~650℃。但其含碳量高，焊接性差。较后同一系列的钢种有瑞典的HT9和日本的HCM12。

4.2.3P91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4-1）。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