管道选材（共4篇）
管道选材 篇1
摘要：国民经济的持续健康发展要求中国企业必须依托本国资源优势发展石化基础原料生产, 国际油价的节节攀升使MTP项目的经济性更具竞争力。神华宁煤集团看准了这一发展契机, 从2004年起与鲁奇公司在MTP领域开始了技术合作谈判, 2005年11月18日在宁夏宁东能源重化工基地奠基, 2006年7月最终与鲁奇公司签订了变换、低温甲醇洗、硫回收、甲醇和MTP专利技术引进合同。硫回收装置作为宁煤烯烃项目的核心装置, 对于神华宁煤基团烯烃项目的成功具有重大意义。笔者作为神话宁煤项目硫回收装置工作中的一员, 深切的知道管道设计与选材对于神华宁煤硫回收装置工作的重要性。为此, 笔者将对硫回收装置管道设计和选材这一论题进行分析与研究。
关键词：硫回收装置,管道设计,选材
随着国际石油价格的不断攀升, 甲醇制烯烃 (MTO/MTP) 项目逐渐浮出水面, 并成为各国为解决化工原料和能源短缺的希望所在。中国的能源结构是“富煤、缺油、少气”, 石油资源短缺已成为中国烯烃工业发展的主要瓶颈之一。硫回收装置作为MTP领域发展的关键性装置, 对于烯烃工业的发展具有重大的意义。而对于硫回收装置来说, 只有做好管道的设计与选材, 才能更好的发挥这一装置的作用。笔者作为曾参与到神华宁煤集团硫回收装置工作中的一员, 将在本文对硫回收装置的管道设计与选材进行分析与研究。
一、对尾气进行硫回收时的管道设计与选材分析
1. 腐蚀环境
尾气主要来自硫的冷凝冷却器, 其主要成分为硫化氢、二氧化硫、水, 而当对尾气进行加热处理后, 尾气中的氢气会与二氧化硫发生反应生成大量的硫化氢气体。该管道中的环境温度大致在一百七十摄氏度左右, 在经过冷凝处理后, 会形成相应的湿硫化氢腐蚀环境。
2. 选材原则
(1) 进入加氢反应器之前
在尾气进入到加氢反应器中之前, 其主要的成分为氢气与硫化氢, 管道温度在三百摄氏度左右, 主要为高温氢与硫化氢相结合的腐蚀环境, 在对管材进行选择时需要对硫化氢含量、氢气的分压情况等进行综合考量之后再进行最终的决定[1]。通常情况下, 人们往往采用不锈钢作为该部分的管道材料。
(2) 进行加氢反应之后
当对尾气进行加氢反应之后, 管道内的氢气含量会大大减少, 而硫化氢的浓度则会增强, 并且由于管道内的环境温度高于三百摄氏度, 为了节省能源, 人们会利用这一热源对混氢之前的尾气进行加热。而在这一过程完成后管道内的温度会大幅下降, 下降至二百摄氏度左右。该阶段内的腐蚀环境为高温氢与硫化氢联合腐蚀。该阶段的硫回收装置管材主要选择为不锈钢。
(3) 塔顶管道的选材
塔顶尾气管道主要包括的是从极冷塔顶到尾气焚烧炉之间的管道部分, 该部分管道内的尾气成分主要为硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、水、氨气和一氧化碳等。温度主要为四十摄氏度左右。该部分的管道材料主要应选择加大腐蚀裕量后的碳钢材, 并且需要在焊接之后进行热处理。
二、对酸性气进行硫回收时的管道设计与选材分析
1. 腐蚀环境
硫回收装置中的分液罐与燃烧炉中大量存在的酸性气的主要化学成分为硫化氢、二氧化碳、水、氨气, 其中硫化氢的成分大约占所有成分的七成左右。而该环境中的温度大约在五十摄氏度到一百六十摄氏度之间。酸性气大量存在的管道中主要的腐蚀因素是湿硫化氢腐蚀。在这种环境下, 硫化氢中的腐蚀因子会逐渐深入到金属管道内部, 当一定的应力作用形成时, 可能会引起碳钢管材的腐蚀开裂, 从而引发相应的化工生产事故。而常见的腐蚀开裂情况主要包括三种, 即硫化物应力腐蚀开裂、氢致开裂与应力导向氢致开裂这三种形式[2]。
2. 选材原则
在湿硫化氢环境下, 要十分注意对硫回收装置管材的选择, 通常情况下来说, 在此种情况下对硫回收装置的管材进行选择时应该在对工程师的设计经验与具体情况进行考虑的基础上, 严格的按照国家相关的化工生产选材标准条列来做。例如, 为了防止硫化物应力腐蚀开裂现象的发生, 应该选用那些具有较低强度的管道材料, 并且需要在焊接之后对其进行相应的热处理措施, 以最大限度的降低管道材料的应力。然而氢致开裂情况即使在管道材料无应力的情况下也有可能发生, 因此要十分注意对管道钢材料本身质量的鉴别与选择, 钢材料的质量越好, 氢致开裂发生的几率越低。一般来说, 16Mn (R-HIC) 型号的纯净钢是管道材料的最好选择。在管道焊接口处的热影响区域内, 应力导向氢致开裂情况发生的几率较高, 这是因为在这一区域内, 往往在焊接时由于不注意而使得杂物混进从而导致管道焊接处留有缺陷, 当温度升高时, 氢原子会发生集聚, 而由于氢原子集聚导致的横排细微裂纹会在垂直应力的作用下开裂。因此, 在对管道材料进行选择时不仅需要对钢材料的纯度进行挑选, 还需要对管道焊接的方式与焊后热处理的形式等进行选择, 以降低管道焊接口区域的应力, 最大限度的避免应力导向氢致开裂状况的发生。综上所述, 在对酸性气大量存在的管道材料进行选择时, 应尽量选择20R型号的钢材, 并且在焊接之后要相应的采取热处理措施。
三、对过程气进行硫回收时的管道设计与选材分析
1. 腐蚀环境
过程气中的主要成分为硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、水、硫、氮气以及一氧化碳。这些气体主要存在于硫回收装置的掺合阀到冷却器之间的管道中。环境温度大约在一百七十摄氏度到四百摄氏度之间, 高温硫腐蚀情况较为明显。
2. 选材原则
在高温环境中, 管道中的硫或含硫化合物会形成硫化氢物质, 而硫化氢会与金属管道发生化学反应, 致使管道腐蚀老化。而决定硫化氢对金属物质腐蚀程度的主要有三种因素, 即硫化物的多少、环境温度情况以及管道金属的合金成分。而这在很大程度上为管道材料的防腐提供了条件。
通常来说, 在温度高于两百四十摄氏度时, 钢材料与合金钢材料的腐蚀性会随着温度的升高而不断加剧。而钢与合金钢材料表面的硫化物保护膜是决定其抗腐蚀性能的主要因素。而硫化物保护膜的形成往往是由金属材质的流动性能来决定的。在经过相关的一系列实验研究过后, 笔者发现, 当管道内温度低于二百四十摄氏度时, 选用碳钢或者加厚碳钢作为管道材料最为合适;而当管道内的温度高于二百四十摄氏度时, 选用不锈钢作为管道材料最佳。
四、对贫富液进行硫回收时的管道设计与选材分析
1. 腐蚀环境
富液中的主要成分为硫化氢、二氧化碳、水以及二甲基二乙醇胺。当温度较低时, 二甲基二乙醇胺对硫化氢物质产生有较强的吸附力, 对二氧化碳也会产生一定的吸附力, 而未被吸附的二氧化碳气体则会跟随硫回收管道进入到尾气焚烧装置中。由于吸收塔塔底的温度一般在四十摄氏度左右, 二氧化碳在被水稀释后, 不会对硫回收管道的碳钢产生较强的腐蚀[3]。
而在贫液中, 再生后的二甲基二乙醇胺在经过降温之后, 能够吸附已经与水相溶的少量硫化氢。而存在于管道中的大量硫化氢气体将会对硫回收装置管道产生较强的腐蚀性。
2. 选材原则
对富液进行硫回收的装置来说, 由于硫化氢主要存在于湿化环境中, 以此具有较强的腐蚀性, 再加上氨盐腐蚀, 进一步加重了管道的腐蚀程度, 因此在对其管道的材料进行选择时最好采用腐蚀裕量较大的碳钢作为其管道材料, 并且在安装时, 工作人员需要对碳钢管材进行焊后热处理。而对贫液来说, 进行焊后热处理的碳钢就十分合适, 能够有效的避免硫化物应力腐蚀开裂与应力导向氢致开裂情况的发生。
结束语
硫回收装置作为神华宁煤集团煤基烯烃合成气制丙烯项目中十分重要的装置, 对于该项目的顺利进行具有重要的作用和意义。而硫回收装置管道设计与选材作为决定硫回收装置质量的重要因素, 必须要给予高度的重视。笔者对硫回收装置的管道设计与选材进行了细致的分析, 希望能够进一步提高硫回收装置的质量水平, 促进神华宁煤集团煤基烯烃合成气制丙烯项目的成功。
参考文献
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[2]张敬伟.炼制含硫原油蒸馏装置工艺管道的腐蚀与选材[J].石油化工腐蚀与防护, 2012, 10 (3) :15-16.
[3]孙光吉, 王维宗.硫回收装置管道设计和选材分析[J].炼油技术与工程, 2011, 18 (3) :55-56.
浅析硫磺回收装置管道腐蚀和选材 篇2
1 酸性气体对管道的腐蚀与选材分析
湿硫化氢腐蚀是酸性气体对管道腐蚀最重要的因素, 硫化氢中的腐蚀因子会在这种环境中深入到金属管道的内部, 如果形成一定的应力作用, 甚至有可能引起钢制管道的开裂, 引起不可想象的事故灾难。目前最常见的腐蚀性开裂的情况有以下三种:一是硫化物应力腐蚀开裂, 二是氢致开裂, 三是应力导向氢致开裂。
对于湿硫化氢环境下的管道材质的选择, 首先要考虑对管道进行设计的设计师的设计经验, 以及对相关的具体情况的了解为基础, 严格依照国家对于相关化工生产选材的标准来执行。为防止硫化物应力开裂的情况, 在选择材质的时候就要优先考虑那些低强度的管道材料, 在焊接之后还要做一些热处理的措施, 最大限度的减少管道材料的应力。对于氢致开裂的情况就不能使用这种办法了, 因为就算是在无应力的作用下, 氢致开裂也有可能会发生, 对于这种情况在选材的时候要特别注意对于管道钢材的质量本身的鉴别与选择, 钢的材料越好开裂的几率就越低。应力导向氢致开裂主要发生的区域是管道焊接口处的热影响区, 在这个区域, 在焊接的时候往往户忽略杂物进入后导致的焊接处存在的缺陷, 当温度突然升高, 氢原子会聚集, 导致细微裂纹在垂直应力的作用下发生开裂。所以说, 在对管道刚才进行选择的时候不仅要考虑钢材的优劣还要在进行焊接作业的时候多加小心。通过上面的分析可以得出如下结论, 在对与酸性气体存在地管道材料进行选择的时候应该优先考虑20R型号的钢材, 在焊接作业完成之后进行热处理措施。
2 尾气对管道的腐蚀与选材分析
尾气的主要来源是硫的冷凝冷却器, 包含的主要成分有硫化氢、二氧化碳与水。如果对尾气进行相应的热处理, 尾气中的氢气与二氧化硫产生反应之后便会生成大量的硫化氢气体。管道中的温度达到一百七十摄氏度左右的时候, 经过相应的冷凝处理之后会形成湿硫化氢腐蚀的条件。
尾气在进入加氢反应器之前与之后的成分是不一样的。在进入加氢反应器之前, 尾气中的主要成分是氢气与硫化氢, 管道的温度保持在三百摄氏度左右, 造成的腐蚀环境主要高湿氢与硫化氢的结合。针对这方面的原因在对于管道材质的选择的时候要充分的考虑硫化氢含量、氢气的分压情况等方面的问题, 一般情况下, 人们选择使用较多的是不锈钢制的材料。尾气在进入加氢反应器之后, 管道中的氢气含量会骤然减少, 但是硫化氢的浓度会明显增加。在管道中的温度高于三百摄氏度的情况下为了能够节省资源, 人们会使用这个热源对混氢之前的尾气加热, 完成这项工作之后管道中的温度便会大幅度的降低, 差不多能下降到二百摄氏度左右。在这个温度阶段的腐蚀环境主要是高湿氢与硫化氢的联合腐蚀, 针对此使用的管道材质也应该是不锈钢。
塔顶的尾气管道主要是极冷塔顶到尾气焚烧炉之间的管道, 这部分管道中尾气的主要成分是硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、水、氮气与一氧化碳等, 温度通常是在四十摄氏度左右, 对这部分管道材料的选择, 要选择能够加大腐蚀裕量的碳钢作为首选材料, 在使用的过程中, 焊接之后需要有热处理的措施。
3 过程气体对管道的腐蚀与选材分析
过程气体的主要成分是硫化氢、二氧化硫、二氧化碳、硫、水、氢气与一氧化碳, 过程气体在硫回收装置的管道中主要存在与掺合阀到冷却器之间的这段管道中, 环境为温度通常是在一百七十摄氏度到四百摄氏度之间, 而在高温的情况下硫腐蚀会越严重。高温环境下, 管道中的硫或者含硫化合物会形成硫化氢, 管道中的硫化氢会和金属质的的管道发生化学反应, 造成管道的腐蚀与老化。决定硫化物对金属管道的腐蚀程度的原因有如下三点:一是硫化物在管道中存在的多少, 二是环境温度的情况, 三是管道中金属的合金成分。
一般来说, 当温度高与二百四十摄氏度的时候, 钢制材料与合金钢制材料的腐蚀性的问题会根据温度的升高而不断加剧, 钢制材料与合金钢制材料表面上的硫化物保护膜是影响材质抗腐蚀性的重要因素, 硫化物保护膜的形成通常与金属材质的流动性有着密切的关系。技术人员根据相关的实验报告发现, 当管道中的温度低于二百四十度的时候, 选择使用碳钢或者是加厚碳钢作为材料对解决以上的问题有明显的效果。而如果管道内的温度达到二百四十摄氏度以上, 选择不锈钢材质的管道是最适合不过的。
4 结语
在国民经济高速发展的带动下, 化工企业也得到了迅猛的发展, 为实现化工产品的供应, 管道的可靠性与安全性发挥着非常大的作用。在以后的工作中, 涉及到管道方面的施工, 首先要考虑管道的系统负荷与位移等因素, 并根据所实际使用现状, 在对管道的选择上秉承科学的选材方法, 从而为保证化工品的安全生产方面做出积极的贡献, 也是对环境的保护尽到一份责任, 对实现经济活动的可持续发展也是一大贡献。
摘要：近些年来, 环境污染问题越来越突出, 已经严重得影响到了人们的正常生活, 对人们的身体健康与生活环境造成了极大的威胁。因此, 人们开始注重对环境的保护意识, 国家与政府也制定了相关的政策, 从企业到个人, 要求尽到对环境的保护责任。化工企业是对环境造成危害比较大的企业, 在对硫等化学品的回收联合装置是应对国内新建炼油厂或者老厂改造的重要方式。这种方式在使用中, 经常会出现一些腐蚀性的问题。本文针对这些常见的问题, 分析其发生的原因, 阐述一些从管道的材料选择方面的意见。
关键词：硫回收,腐蚀,管道,选材
参考文献
[1]国家经济贸易委员会.加工高硫原油重点装置主要管道设计选材导则[S].北京:中国石油出版社, 2003.
[2]张平喜.硫磺回收装置的腐蚀与防护[J].全面腐蚀控制, 2005, 19 (5) :36-39.
[3]张晓华.硫回收装置安全操作的考虑[J].炼油技术与工程, 2010, 13 (2) :26-27.
[4]张敬伟.炼制含硫原有装置工艺管道的腐蚀与选材[J].石油化工腐蚀与防护, 2012, 10 (3) :15-16.
超超临界机组主蒸汽管道选材比较 篇3
关键词：主蒸汽管道,P91钢,P92钢,E911钢,P122钢
随着我国经济的稳定、快速发展,对能源需求不断增加,同时对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提高火力发电效率、节约一次能源、改善环境、降低发电成本的必然趋势。超超临界机组相对超临界机组蒸汽温度和压力参数的提高对电站关键部件材料提出了更高和更新的要求,尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、冷加工和热加工性能等,因此材料和制造技术成为发展超超临界机组的技术核心。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。
1、超(超)临界机组定义
对于火力发电机组,当机组做功介质蒸汽的工作压力大于水的临界状态点压力(PC=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℃/566℃或24.2MPa/566℃/566℃。
所谓超超临界机组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242MPa或者主蒸汽(或再热蒸汽)温度超过566℃,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[1]。
目前国外超超临界机组参数为初压241~31MPa、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、主蒸汽管道的工作要求
主蒸汽管道在工作中主要承受内部介质的温度和压力作用,以及管道重量、介质重量、保温材料重量、支撑和悬吊等引起的附加载荷的作用,此外,在锅炉启停和变负荷工况下,还要承受周期性变化的载荷和热应力的作用,即还要承受低循环疲劳载荷的作用。
这要求主蒸汽管道应具有足够高的蠕变强度、持久强度和持久塑性。蒸汽管道通常以10万h或20万h的高温持久强度作为强度设计的主要依据,再用蠕变极限进行校核。持久强度反映材料抗持久破坏的能力,蠕变极限反映反映材料抗长期变形的能力。材料的热强性能高,可提高联箱和管道运行安全性,还可减少因管壁过厚给加工工艺带来的困难。一般要求钢材在工作温度下的持久强度平均值不低于5 0~100MPa;在整个运行期内允许积累的相对蠕变变形量不低于2%;持久强度和蠕变极限的分散范围不超过±20%;持久塑性的延伸率不小于3%~5%。主蒸汽管道在高温下、长期运行过程中应具有相对稳定的组织,另外由于热加工和焊接的工作量很大,钢材应具有良好的工艺性能,特别是焊接性能要好。
3、主蒸汽管道主要材质选择
主蒸汽管道的首选材料是铁素体耐热钢,因为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这些部件严重的热疲劳损伤。铁素体耐热钢主要有P91钢、P92钢、E911钢、P122钢,其化学成分见表1[2]。
3.1 P91钢
P91(l0Cr9Mo1VNb,X20CrMoVNb9l)钢属改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢,P91钢是美国在9Crl Mo耐热钢基础上改进的比较成熟的锅炉与压力容器用钢。1984年纳入ASME锅炉与SA213压力容器规范。它具有热强性好、强韧性高、淬透性好(可空淬至200mm)、可焊性良、热导率高、线胀系数小等特点,抗蚀性和价格居于P22和TP304 H之间。P91钢由于其优异的综合性能,它是世界上许多高蒸汽参数的发电机组主选材料之一[3]。1995年该钢以“10Cr9Mo1VNb”牌号正式列入国家标准GB 5310-1995。
图1为不同批号的T91/P91钢,在550、600及650℃三个温度下的蠕变断裂强度。
3.2 P92钢
P92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(9%铬、1.75%钨、0.5%钼),具有更强的高温强度和蠕变性能,它的抗腐蚀性和抗氧化性能等同于其他含9%Cr的铁素体钢,由于它具有较高的蠕变性能,所以可以减轻锅炉和管道部件的重量,它的抗热疲劳性强于奥氏体不锈钢。热传导和膨胀系数远优于奥氏体不锈钢[4]。在美国P92钢自1995年列入ASTM A335标准,自1996年列人ASME SA335标准。
图2为T/P92钢不同温度下的蠕变断裂强度测试结果。
3.3 E911钢
E 9 1 1钢是在P 9 1之后由欧洲多国COST研究设计的,55家机构参与研究开发E911,ABB带头研制,最早在德国锻件上使用,用于钢管上最早的为曼内斯曼[5]。为了提高持久强度通过添加W来实现的,W起固溶强化作用,并且W降低M23C6碳化物长大的速度,沉淀强化导致富W的Laves相的析出,Laves相的析出可导致过时效颗粒的脆化,基于这种情况,E911的W含量为0.90%~1.10%,E911在正火回火态使用,室温组织为回火马氏体。曼内斯曼的持久试验已做到90000h。在600℃下外推105 h的持久强度为118 MPa,而P91为90Mpa。
图3为E911钢不同温度下的蠕变断裂强度测试结果。
3.4 P122钢
P122(HCM12A)钢是日本住友研制的含铬1 2%的锅炉用耐热钢。可以说HCM12A钢是德国X20CrMoVl2l的改进型钢种。HCM12A钢将含C量从0.20%降至0.10%左右,大大改进了钢的焊接性能,同时加入约2%W,约1%Cu和少量的Nb,HCM12A钢比改进型9Cr-1Mo。具有更高的蠕变断裂强度,在600~650℃可代替部分TP304H,TP347H等不锈耐热钢,具有较高的经济价值[6]。HCM12A钢管已纳入ASMEcase 2180-2,2001版ASME在SA213M标准中纳入,命名为T122钢管。
图4给出了T/P122钢各种产品在600℃和650℃的蠕变断裂强度曲线。
4、主蒸汽管道主要材质比较
P92和P122由于目前的试验时间还没有达到10万h,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短时间的蠕变断裂数据外推出来的,分别为132MPa和128MPa,P91钢600℃工作温度下10万h的持久强度为94MPa,E911为115MPa。照此计算l000MW超超临界主蒸汽管道单位长度重量比约为P91:E911:P92:P122=100:92:61:66。另外考虑更高设计温度下各材料强度的变化趋势,在强度上P92和P122有较大的优势。然而,欧洲对日本采用P92和P122的数据外推的方法提出质疑,按照欧洲的外推,P92在600℃下10万h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和P122在长时间的运行中强度降低幅度比E911大。
5、结束语
对于主蒸汽管道的选材,P91材料已应用到最高限度温度,且管道较厚,将带来现场焊接困难,故不再适宜选用,可考虑从P92,P122,E911三种新材料中选用。P92材料使用时间较短,按目前标准执行,长期使用是否会出现问题需要时间来考验。从使用业绩方面来说,P122材料相对较多,技术上相对安全,但由于该材料在现场焊接上较难把握,故实际初次应用也有风险。根据一些资料反映,E911材料近期价格较高,但考虑到影响商务的因素较多,对稍晚一些的工程也许会显现竞争力,可继续保留作为一个选择。综合以上多方面因素,建议目前进行的超超临界工程主蒸汽管道按P92,P122,E911的顺序进行选择。
参考文献
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[3]王雪凤,吴任东,邓晨曦等.新型耐热高强钢P91的高温力学性能[J].机械工程学报.2008,44(6):243～247
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[5]张长松,刘锦,苏俊.(超)临界锅炉用E911钢管的性能评定试验[J].江苏冶金.2006,,34(3):31～36
管道选材 篇4
1 超超临界机组的定义及优势
火电厂超临界机组和超超临界机组指的是锅炉内工质的压力。锅炉内的工质都是水, 水的临界压力是:22.115MPa/374℃;在这个压力和温度时, 水和蒸汽的密度是相同的, 就叫水的临界点, 炉内工质压力低于这个压力就叫亚临界锅炉, 大于这个压力就是超临界锅炉。
目前常规的超临界机组蒸汽参数一般为2 4.2 M P a/5 3 8℃/5 6 6℃或24.2MPa/566℃/566℃。超超临界机组是相对于常规超临界机组的蒸汽参数而言的。通常把蒸汽压力高于27MPa的超临界机组称为超超临界机组。超超临界燃煤发电技术是一种更先进、更高效的发电技术, 它比超临界机组的热效率高出约4%, 与常规燃煤发电机组相比优势就更加明显。超超临界机组也称为高效超临界机组。
2 高温蒸汽管道的工作要求
与常规燃煤发电机组相比, 超超临界机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料, 需面临更高压力和更高温度的考验, 还要承受周期性变化的载荷和热应力, 即低循环疲劳载荷的作用。这种工作环境要求管道材料应具有足够高的蠕变强度、持久强度和持久塑性, 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。
高温蒸汽管道通常以10万小时或20万小时的高温持久强度作为强度设计的主要依据, 再用蠕变极限进行校核。持久强度反映材料抗持久破坏的能力, 蠕变极限反映材料抗长期变形的能力。材料的热强性能高, 不仅可提高联箱和管道运行安全性, 而且可减少因管壁过厚给加工工艺带来的困难。一般来说, 适合于高温蒸汽管道的材料, 其在工作环境下的10万小时蠕变应力值应达到90MPa～100MPa。
3 高温蒸汽管道主要材料
铁素体耐热钢适用于高温蒸汽管道, 此类材料低的热膨胀系数和高的热导率允许较高的启停速率而不会导致严重的热疲劳损伤。铁素体耐热钢主要有P91钢、P92钢、P122钢和E911钢。
P91钢属改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢, 具有热强性好、强韧性高、淬透性好、可焊性良、热导率高、热膨胀系数小等特点, 抗腐蚀性和价格均居于P22钢和TP304H不锈钢之间。优良的综合性能使P91钢成为世界上众多高蒸汽参数发电机组主蒸汽管道及再热热段管道的主选材料之一。1983年被纳入ASME锅炉与压力容器规范 (SA335) , 1995年以“10Cr9Mo1VNb”牌号正式列入国家标准GB 5310-1995。
P 9 2钢是在P 9 1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, 使用温度则可达到620℃, 具有更高的高温强度和蠕变性能, 由此在设计中可以采用更薄的壁厚从而减轻锅炉和管道部件的重量。P92钢抗腐蚀性和抗氧化性能于其他含9%Cr的铁素体钢相当, 热传导和热膨胀系数远优于奥氏体不锈钢, 抗热疲劳性也强于奥氏体不锈钢。1995年被列入ASTM A335标准, 1996年被列入ASME SA335标准。
P122钢是在德国牌号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增加, 具有更高的热强性和耐腐蚀性。同时尤其是由于含炭量的减少, 使得焊接冷裂敏感性也有所改善。
E911钢是在P91钢之后由欧洲多国研究机构研究设计的, 其化学成分与P92钢相似, 机械性能也基本相近。德国曼内斯曼公司的持久试验已做到9万小时, 在600℃下外推10万小时的持久强度为118MPa, 远优于P91钢的90Mpa。E911钢高温蠕变断裂强度超过TP300系的奥氏体不锈钢, 具有优良的断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性、可焊性, 具有十分广阔的应用前景。
目前, 将P92钢作为超超临界火电机组主蒸汽管道材料的首选已得到国内外专家的一致认可, 但高温再热蒸汽管道材料的选择问题却没有定论。
4 P91钢和P92钢对比
从国外超超临界火电机组高温再热蒸汽管道的使用及运行经验看, P122钢使用业绩相对较多, 技术上相对安全, 但在国内使用经验较少, 因此在现场焊接上较难把握。E911钢目前价格较高, 考虑到商务因素, 对稍晚一些的工程才会显现出竞争力, 可继续保留作为一个选择。基于上述因素, P91钢和P92钢目前仍为国内超超临界火电机组再热热段蒸汽管道使用最多的材料。根据国内超 (超) 临界火电机组运行参数, 对采用P91钢和P92钢的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1。
5 结语
P91钢的性能和特点已被大家所熟悉, 其焊接工艺也已被我国电力设备供应商和施工单位广泛掌握, 并建立了一套完整的工艺控制方法和检验标准, 在超 (超) 临界火电机组主蒸汽及再热热段蒸汽管道得到广泛的应用。从价格因素考虑, P91钢单重价格比P92钢便宜10%～30%。但随着火电机组蒸汽压力及温度的逐渐升高, P92钢更为优良的高温性能体现出优势越来越明显。P122钢和E911钢两种材料目前在国内使用业绩较少, 但今后定会显现出竞争力。
综合以上多方面因素, 建议目前设计进行中的超超临界火电机组高温再热蒸汽管道按P92、P91、P122、E911的顺序进行选择。
参考文献
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[2]武秀峰.超超临界火电机组四大管道选材分析.电力科学与工程, 2008, 24 (10) , 73-78