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第 4 6卷第 3 期 2 0 1 5年 5月 锅 炉技术 B0I LER TECH N0L OGY Vo 1 ． 4 6，No ． 3 M a y ．，2 O 1 5 AS TM A3 3 5 P 9 2钢 用 于 6 2 8 oC的再热蒸汽管道的可行性研究 徐 大伟 ，许 欢 ，谭 永生 中国水利 电力物资有限公司 ，北 京 1 0 0 0 4 5 摘要 当前国内部分超 超临界机 组再 热蒸 汽管道的设计 温度达 到了 6 2 8℃ ， 该条件 下 P 9 2材料 能否安 全 使 用成 为一个值得探讨 的问题 。以可选 的 P 9 1 、 P 1 2 2 、 E 9 1 1和 P 9 2材料的最新试验数据和研究成果为依据 、 以 2 0 1 3 年开工 的某项 目为例 ， 从技术角度和经济角度对以上 4种材料 进行 比较 分析论证 ， 得 到 了较 为明确 的结 论 。同时提醒在 P 9 2材料的使用中要注意 D e l t a铁素体的问题 。 关键 词 超超临界 ；许用应力 ；P 9 2 ；De l t a 铁 素体 中图分 类号 T K2 2 3 ． 3 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 2 4 7 6 3 2 0 1 5 0 3 0 0 5 7 0 5 0 前 言 从 国内 已经投 产 的多 个 超超 临 界 项 目来 看 ， 主机再热温度一般选取在 6 0 3℃左 右， 其再热热 段蒸 汽管道 设计 温度 则 在 6 0 8℃左 右 ， 管 道 材 料 无一 例 外 选 用 AS T MA3 3 5 P 9 2 下 称 P 9 2 合 金钢 。 2 0 1 3年 ， 国 内某 超超 临界 项 目将 主机 再 热 温 度升 高到 6 2 3℃以提 高 热效 率 ， 其 再 热蒸 汽 管 道 热段 的设 计 温 度 达 到 了 6 2 8℃ 。该 项 目再 热 蒸 汽管道设计参数见表 1 。 表 1 温 度为 6 2 8℃再 热蒸 汽 管道设 计参数 项 目 数值 设计温度／ C 设 计 压 力 ／ MPa 设计 内径／ ram 设 计 壁 厚 ／ mm 设 计长度 两 台机组 ／ m 6 2 8 6． 79 6 8 6 5 3 5 4 0 基 于此 再 热 蒸 汽 温度 较 一 般 的超 超 临界 机 组 再 热蒸汽 温 度 高 出约 2 0℃ 左 右 ， 从 而 引发 了 对这一 温度下 P 9 2材料 能否安 全使用 的担心 。 这 种 疑 问 也 不 是 完 全 没 有 道 理 的 ， 因 为 在 B 3 1 CASE 1 8 3 一 Us e o f Se a ml e s s 9 Cr 一 2 W i n A SM E B 3 1 ． 1 C o n s t r u c t i o n 2 0 0 7版 中 Re p l y c 指 出 “ 除 了外 径小 于等 于 8 9 mm 3 - 1 ／ 2 i n ． 的 P 9 2钢 管 可用 于 的最高 温度 为 6 4 9 o C外 ， 其余 的 P 9 2钢 管的最高使用温度极限应为 6 2 1℃” 。 本文的 目的即是通过技术 和经济两个层 面 的对 比分 析 ， 论证在 6 2 8℃温度 条件 下 ， P 9 2材料 仍然是现实条件下的最佳选择 ， 同时提醒 P 9 2材 料 的使用 过程 中应该 注 意 D e l t a 铁 素体 的问题 。 1 P 9 2材 料的基本情况 1 ． 1 P 9 2材料 的研 发 P 9 2 是 用钒 、 铌 元 素 微 合 金 化并 控 制 硼 和 氮 元素含量的铁素体钢 ， 在我国也称马 氏体耐热钢 空冷 得 马氏体 组织 。其 研发 始 于 2 O世 纪 8 0年 代后期 ， 当时 为满足 6 0 0℃蒸汽参 数机组 的要 求 ， 美 国率 先进 行 了 P 9 2钢 的研发 。 1 9 9 5年 被 列 入AS TM A3 3 5 和AS T M A2 1 3 ； 1 9 9 6 年 列 入AS ME S A3 3 5 和AS ME S A2 1 3 ， 均称之为 T／ P 9 2 。在 E N标准 中其被命 名 为X 1 0 C r w M0 VNb 9 2 ，值 得 注 意 的 是 ， AS T M 、 AS ME标 准 和 E N 标 准 在 9 2钢 的 化 学 成分 规定 上有 所差别 ， 如 Z r 和 T i 的含 量 限制 上 。 1 ． 2 化学成 分构 成 P 9 2钢 是 在 P 9 1钢 材 料 基 础 上 经 过 以下 改 良而发展 起 来 的 ， 加 入 了钨 ， 减 少 钼 的含 量 以调 整铁素体一 奥氏体元素之间的平衡 ， 并且加入微量 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 1 ； 修 回日期 2 0 1 41 1 1 0 作者简介 徐大伟 1 9 7 3一 ， 男 ， 硕士 ， 高级工程师， 主要从事火力发电厂 四大管道的供应和技术研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 锅 炉技术 第 4 6卷 合金 元 素硼 ， 碳 的含 量保 持 在 一个 较 低 的水 平 是 为 了保证 最佳 的加工 性能 。 化 学成分 上 ， 其 主要特 点是 1 含 C量 为 0 ． 0 7 ～0 ． 1 3 ； 2 含 9 C r ，1 ． 7 5 W 和 0 ． 5 Mo ； 3 含 0 ．2 5 V， 0 ．0 7 Nb， 0 ．0 5 0 N， 0 ． 0 0 4 B， Mn、 S i 适量 ； 4 限制 P、 S 、 Ni 、 A1 、 Ti 、 z r 等含 量 。 1 ． 3 P 9 2材料 的强化 机制 1 结 构强化 。 在 1 0 4 0℃ ～ 1 0 8 0℃温 度 下正 火 时大 部分 碳 化物 溶解 时并不 发生 明显 的晶粒 长大 。 在 7 5 0℃～7 8 0℃温 度 下 回火 时 ， 碳 化 物 能 在马 氏体组织 中均匀 析 出 ， 从 而 提 高 了材 料 的蠕 变性能 。 通 过这 样 的热处理 ， 实 现 了高 的 蠕 变 断裂 强 度 、 有 限 的硬 度 和 好 的韧 性 。P 9 2典 型 微 观 结 构 见 图 1 。 图 1 P 9 2典 型 微 观 结 构 X2 0 0 特定 的热处 理状 态会 得到包 含析 出物 如 M 。 c 和 MX型钒／ 铌碳氮化物 的回火马氏体组织 ， 这 些析 出 物通 过 沉 淀 强 化 而改 善 了材 料 的 蠕 变 断裂强 度 。 P 9 2钢 的正火 和 回火 工艺标 准见 表 2 。 表 2 P 9 2钢 的正 火和 回火 2 碳 化 物 弥 散 强 化一 M。 。 C M F e ，C r ， Mo ， 对 板条 长大形 成抑制 。 3 碳氮化 物 弥散强 化一 MX XC， N MV 或 Nb ， 阻止 晶 内位 错运 动 。 4 合 金元 素 的 固溶 强 化一 Mo和 w ， 溶 质 原 子 对位 错形成 束缚 。 5 晶界强 化一 B。 2 P 9 2材 料 的 许 用 应 力 值 可 以满 足 6 2 8 ℃的运行条件 AS ME规 范 中 P 9 2的数 据是 日本 新 日铁 公 司和 住友 公 司 根 据 短 时 间 蠕 变 断 裂 数 据 外 推 出 来 的。欧洲 蠕变协 会 E C C C于 2 0 0 5年 对 P 9 2持 久强 度值 进 行 了 重 新 评 估 并 给 出 了最 新 的许 用 应力 值见表 3 ， P 9 2材 料 的温 度 和 应 力 关 系 曲线 见 图 2。 表 3 P 9 2设计许 用应 力的 变迁 MP a 温 度 E CC C1 9 9 9 EC CC2 0 0 5 ASME CC2 1 7 97 5 6 0 12 0 1 1 4． 7 1 1 3． 6 5 8 O l OO ．7 9 4． 7 9 5． 0 60 0 82 75 ．3 7 7 ．0 6 1 0 73 ． 3 6 6． 7 6 8． 8 6 2 O 64 ．7 58 6 0． 6 6 3 0 56 ．7 50 5 2． 9 6 4 0 49 ．3 4 3． 3 4 5． 6 6 5 O 4 2 7 3 7 3 3 8 3 图 2 P 9 2温度和应力关系曲线 从 P 9 2的温度 和应 力关 系 曲线上 可 看 出 各 断裂时 间 的温 度应 力 曲线 为 一斜 直 线 ， 断裂 时 间 为 1 ． 0 1 0 h的线在 6 0 0℃～6 5 0℃温度范围并 未 出现 斜率 的明显 变 化 ， 尤其 在 6 0 0℃ ～ 6 3 0℃ 区段更 是如此 。 只要按标 准规 定 的各温度许用应力计算 管 壁厚度 ， 即可 满足 钢管 的强度要 求 。 实 际上 ， 如 果 设 计 采 用 的 的 标 准 是 规 划 院 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 徐大伟 ， 等 AS TM A3 3 5 P 9 2钢用于 6 2 8℃的再热蒸汽管道 的可行性研究 5 9 2 0 0 8的 E N1 O 2 1 6 2 0 0 2 A2 2 0 0 7 ， 该 设 计 标 准 与 B 3 1 C AS E 1 8 3无 关 ， 6 2 1℃ 的 限制是 不 存在 的 ； 在 瓦 卢 瑞 克一 曼 内 斯 曼 的 P 9 2手 册 中 注 明 ， P 9 2材料 适用 于 锅 炉外 部 的零 部件 如 管 道 和集 箱 ， 蒸 汽温度 可 以达 到 6 2 5℃左右 。 3 P 9 2材 料 用 于 设计 温 度 为 6 2 8℃ 的再 热蒸汽 管道 的技术分析 目前 ， 国外 用 于 运 行参 数 为 2 5 ． 0～ 3 0 ． 0 MP a 、 6 0 0℃ ／ 6 0 0℃等 级机 组 的 高温 蒸 汽 管道 材 料 有A3 3 5 P 9 1 、NF 6 1 6 A3 3 5 P 9 2 、HC M1 2 A A3 3 5 P 1 2 2 、 E 9 1 1 ， 它们 是在 相 同的 思 路下 研 制 开发 的 ， 具有相 似 的基本 特点 。 以下 将 就 此 4种 材 料 的 化 学 成 分 、 许 用 应 力 、 焊接 性能 、 长 时组织 稳 定 性 、 高 温 抗 氧化 性 和 供应等方面分别进行 比较和分析。 3 ． 1化 学成分 比较 4种材 料 的化 学成 分 比较见 表 4 。 表 4 化 学成分 比较 表 ％ 从各 自化学 成分 中可 以看 出 P 9 1 、 P 9 2和 E 9 1 1是 9 C r 钢 的 变 质 钢 ， 而 P 1 2 2为 1 2 C r 的变 质钢 。 3 ． 2 许 用应力 比较 3 ． 2 ． 1 P 9 1材料 P 9 1 材 料研 发成 功 于 2 0世 纪 8 O年 代 中期 ， 在世界范围内获得 了大规模 的应用 。在瓦卢瑞 克 一曼 内斯 曼公 司关 于 P 9 1材 料 的手册 中 ， 认 为 其 适 用于锅 炉外 部 的零 部 件 如管 道 和集 箱 ， 蒸 汽温 度在 6 1 0℃ 左右 。 A S ME规范中 P 9 1 材料的许用应力见表 5 。 表 5 P 9 1钢许 用应 力 3 ． 2 ． 2 P 1 2 2材 料 2 0 0 4年 时 E l 本 发 生 P 1 2 2爆 管 事 故 ， 应 日本 政府要求 ， 2 0 0 5年 日本高铬 钢许用应 力委员 会 简称 S HC 对 P 1 2 2材料的许用应力重新进行了 评估 ， 其 许用 应力 变化 见表 6 。 表 6 S HC对 K A S U S 4 1 0 J 3 TP P 1 2 2 重新 评估 前后 的许 用应 力值 3 ． 2 ． 3 E9 1 1材料 同 P 9 2 材 料一样 ， E C C C 2 0 0 5的试 验结 果表 明 E 9 1 1 在 6 0 0℃左右时持久强度也有较大的降低， 其主要原因同 P 9 2 、 P 1 2 2类似 ， 均是 由于长时间蠕 变数据 的出现 ， 反 映出运行 中金相 组织的老化对 蠕 变性 能产生 了较 大的影响 ， 而在早 期的强度数 据评 估 中过多采用短 时间的试验数据 ， 在延长时 间的试 验 中蠕 变 机 制 发 生 了 变 化 。E C C C 于 2 0 0 5年 对 E 9 1 1 钢 的 1 ． 0 1 0 h持 久强 度 进行 了重新 评 估 ， 其持久强度和据此推算的许用应力值见表 7 。 表 7 E 9 1 1 持 久 强度和 许用 应力 值 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 锅 炉技术 第 4 6卷 3 ． 2 ． 4 4种材 料 的许 用应力 比较 见 图 3 。 芝 暖 图 3 4 种 材料 的许用应力 比较 图 4种材料 的许 用应力 比较见 图 3 ， 可 以看到 ， 在 6 2 0℃ ～6 5 0℃温度范 围内 ， P 9 2 材 料较 P 9 1 、 E 9 1 1 和 P 1 2 2材料 而 言 ， 许用 应力 有 较大 优 势 。6 2 8℃ 情况下 ， 通过插值计算各 自许用应力见表 8 。 表 8 6 2 8℃情 况下 4种材 料 的许 用应 力数值 比较 序号材料许用应力／ MP a 较 P 9 1数据的提升值／ ％ 3 ． 3焊 接性 能 比较 对 P 9 1材 料 而 言 ， 无 论 在 国外 还 是 国 内 ， 其 均得到 了广泛 的应用 ， 因而 其焊 材 研制 以及 焊 接 工艺 和技 术 的开 发 最 为 成 熟 ； 而 对 于 后 三 者 而 言， 作为新材料 ， 如何 降低焊缝 的脆 性是重要 的 技术 问题 ， 需 要 从 焊 材 和工 艺 方 面进 行 解 决 ， W 的加 入使 得 P 9 2和 P 1 2 2比 P 9 1和 E 9 1 1需 要 更 长 的焊后 热 处 理 时 间 来 保 证 焊 缝 韧 性 ； 另 外 ， 高 的 C r 含 量也 使 P 1 2 2材 料 的焊 接 难 度 明显 大 于 9 ％C r 钢 。从 焊 接性 能 而 言 ， P 9 2材料 优 于 P 1 2 2 材料 ， 与 E 9 1 1相当， 逊于 P 9 1材料 。 3 ． 4 长 时稳定 性 } 匕 较 此 4种钢材均为 C r铁素体耐热钢 ， 供货状 态为正火回火 ， 在高温运行 中其组织结构变化 主要 包 括 位 错 密 度 降 低 和 固 溶 W 析 出 形 成 L a v e s 相等， 前者会使 高温强度降低 ， 固溶 w 的 减少也降低高温强度， 但析出的 L a v e s 相可适 当 弥 补 W 的变 化所带 来 的强 度影 响 ， 然 而 L a v e s 相 的析 出会 导致脆性 的增 加 。在 3种 含 W 的耐 热 钢 中 ， P 1 2 2因含 有 1 ． 0 的 C u会 促 使 L a v e s相 的析 出和长 大 ， 在 长 期 运 行 中稳 定 性 最 差 ， E 9 1 1 和 P 9 2接近 。现有 研究 数据 表 明 ， 运 行 1 ． 0 1 0 h后 ， P 1 2 2冲击 韧性 降低 最 明显 ， P 9 2和 E 9 1 1也 明显降低 ， P 9 1冲击韧性变化最少。因而从长时 稳 定性 而 言 ， P 9 2材 料 优 于 P 1 2 2材 料 ， 与 E 9 1 1 相 当 ， 逊 于 P 9 1 材 料 。 3 ． 5 抗高温 氧化 性能 比较 耐热钢 的抗 氧化性 能 主要 取决 于 C r 和 S i 的 含量 ， P 9 1 、 P 9 2和 E 9 1 1 都是 9 C r 钢 ， 其抗氧化 性能 相近 ， P 1 2 2 是 1 2 C r 钢 ， 其抗 氧 化能力 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 层剥 落 的 问题 比亚 临界 和 超 临界机 组严 重 ， 国外 的超 超 临界 机 组 运 行 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 主要 存 在 于 过 热 器 和 再 热 器 ， 对 于 6 0 0 ℃左 右 运行 的主蒸 汽 管 道和 再 热热 段 管 道 ， 由于 金属壁温 波动不频 繁， 氧化层剥 落 的可能性 较 小 ， 而且 运行 一段 时 间后 氧 化速 度 逐 渐下 降 达 到 平 衡 ， 因此 9 C r 钢 已基 本 可 以满 足 抗蒸 汽 氧 化 的性能要求 。因而从高温抗氧化性能而言 ， P 1 2 2 材料优 于 P 9 2 、 E 9 1 1和 P 9 1 材 料 。 3 ． 6 4种 材料 的供 应 问题 目前 ， 超超 临界 机组 主蒸 汽 和再 热 热段 所 需 P 9 2和 P 9 1材料 可 由美 国 、 日本 住 友 金 属 以及 欧 洲公 司供应 ， 而 对 于 P 1 2 2和 E 9 1 1材 料 而 言 ， 分 别 只有 日本和 欧洲一 家工 厂可 以供应 。 P 9 2 材 料在最 重 要 的许 用 应力 指标 上 、 在 生 产供 应上 优 势 明显 ， 在 焊接 性 能 、 长 时 稳 定 性 和 高 温抗 氧化性 能指 标 上表 现 适 中 ， 因 而从 技 术 上 而 言 ， 在 高温设 计温 度下 ， P 9 2材 料是 当前 的最 佳 选 择 。 实 际 上 ， B 3 1 C a s e 1 8 3同 时 规 定 小 管 子 可 允 许 最 高使用 温度 为 6 4 9℃ ， 说 明 P 9 2钢 的材 质可 满 足在 该 温 度 及 以 下 温 度 长 期 运 行 对 强 度 、 塑 性 、 抗氧化和腐蚀、 长期运行组织 性质稳定性 的 要求 。 4 F 9 2材料 用 于 设计 温 度 为 6 2 8℃ 的再 热蒸汽管道的经济性分析 仍以本文开篇所列 国内某百万机组为例 ， 参 考当前进 口四大管道的大概价格 ， 可 以对该项 目 热段 管材 选用不 同材 料 时 的成本 进 行 比较 分 析 ， 见表 9 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 徐大伟 ， 等 AS TM A3 3 5 P 9 2钢用 于 6 2 8℃的再热蒸汽管道 的可行性研究 6 1 表 9 再 热管材 的经 济性分 析 根 据表 9所 列 ， 可 以看 出 ， 就 再 热 热 段 主 管 道经济性而言 ， P 9 2材料管材 价格较 P 9 1 、 E 9 1 1 和 P 1 2 2材 料 而 言 具 备 价格 优 势 ， 尤其 对 于后 两 者 而言 ， 优势 更为 明显 。 5 P 9 2材料应用 中应注意的 问题 P 9 2及其他 9 ％C r 和 1 2 C r 材料都容易 出 现 D e l t a铁素体 ， 这与材料 的化学成分控制及化 学成分偏析、 热加工及热处理的热循环过程等 因 素有关。D e l t a铁素体对 9 C r和 1 2 ％C r 材料 持 久强度 性 能 的影 响见 图 4 。 图 4 De l t a铁素体对 AS T M A3 3 5 P 9 2持久强度性能的影响 De l t a铁素体的存在不仅会降低强度 室温 和高温抗拉强 度 和冲击 韧性 ， 还会使钢 的蠕 变 和持久强度降低 ， 这是由于大量的 C和 N在 回火 马氏体和 De l t a铁素体边界上聚集的缘故 。 6 结 语 1 P 9 2 材 料 可用于 设计 温度 6 2 8℃的超 超 临界 机组 再热 蒸汽 管道 。 2 基于当前用于蒸汽温度 6 3 0℃ ／ 6 3 0℃ 的超 超 临界机 组高 温 材 料 尚未 获 成 功 ， 因 而 当前 条件 下 ， 从 经济 和技术 角度 而 言 ， P 9 2材料 是该 温 度条 件下 的最佳 选择 。 3 对于 P 9 2钢 要用 于设计 温度 6 2 8℃ 的超 超 临界机组 再热 蒸汽 管道 的情 况 ， 尤 其要 强调 ① 钢管 组织 为 1 0 0 ％ 回火 马 氏体 。 ②钢管 中 D e l t a铁 素体 的含量要 尽可 能 的 低 ， 最好不含 De l t a铁素体。 参 考 文献 [ 1 ]程方霞 ， 陶伟静．1 0 0 0 Mw 超超 临界机组 四大管道 材料选 择论述[ c] ．中国电机工程协会第十届青年学术会议 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ]雷光庭 ， 龚立 贤．超超临界机组四大管道材质的选择 口] ．热 机技术 ， 2 0 0 6 3 ． [ 3 ] 申松林．超超 临界火 电机组 四大管 道选材 分析[ J ] ．热 机技 术 ， 2 00 5 3 ． F e a s i b i I i t y An a l ys i s on Us i n g AS TM A3 3 5 P 9 2 St e el f o r R e h e a t St e a m Tu b e at t h e De s i g n e d Te mp e r at ur e o f 6 2 8℃ XU Da we i ，XU H u a n，TAN Yon g s h e n g Ch i n a Na t i o n a l Wa t e r Re s o u r c e s＆ E l e c t r i c Po we r Ma t e r i a l s Eq u i p me n t C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 4 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e d e s i g n e d t e mp e r a t u r e o f t h e r e h e a t s t e a m t u b e o f s o me d o me s t i c u l t r a s u p e r c r i t i c a l u n i t h a s c u r r e n t l y r e a c h e d 6 2 8℃ 。a t wh i c h wh e t h e r M a t e r i a 1 P9 2 c o u l d b e u s e d s a f e l y h a s b e c o me a d e s e r v i n g d i s c u s s e d t o p i c ． A c o mp a r a t i v e l y c l e a r c o n c l u s i o n h a s b e e n o b t a i n e d i n t h e a r t i c l e f r o m t e c h n o l o g i c a l a n d e c o n o mi c a l a n g l e s b y t h e c o mp a r i s o n，a n a l y s i s a n d d e mo n s t r a t i o n o f t h e f o u r a v a i l a b l e Ma t e r i a l s P9 1，P1 2 2 ，E9 1 1 ，P9 2 o n t h e b a s i s o f o n e p r o j e c t s t a r t e d i n 2 0 1 3 a n d t h e i r l a t e s t t e s t d a t a a n d r e s e a r c h r e s u l t s ． Me a n wh i l e ，i t ’S r e mi n d e d t h a t c e r t a i n a t t e n t i o n n e e d s t o b e p a i d t o De l t a f e r r i t e i n t h e u s e o f Ma t e r i a l P9 2 ． Ke y wor d s u l t r a s u pe r c r i t i c a l ； a l l o wa bl e s t r e s s；P9 2；De l t a f e r r i t e 善 毯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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