<p><a id="_Toc80235503" name="_Toc80235503"><strong>2. 用于高参数现代电站的新型钢种的开发及应用概况</strong></a><br/> <strong></strong><br/><strong>火力发电厂高温高压管道主要指四大管道,包括主蒸汽管道、高温和低温再热蒸汽管道、高压给水管道等。随着目前国内火力发电机组的蒸汽参数由超高压、亚临界向超临界以及超超临界参数的发展,以及火电机组的容量不断扩大,新型耐热合金钢材的开发和应用成为发展的核心问题,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。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。 </strong><br/><strong>因本工程的给水管道及低温再热蒸汽管道的设计参数与600MW超临界机组相近,即用于600MW超临界机组材料仍然适用于本工程,不需要采用新的钢种,故本文着重论述本工程主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道材料的选择。</strong><br/><strong>2.1高温蒸汽管道材料的发展</strong><br/><strong>高运行参数(压力、温度)是提高机组热效率最有效的途径。但蒸汽参数的提高,特别是温度的提高受到材料的制约,国外早期投运的超超临界机组,如美国50年代投运的Philo #6(容量125MW、参数31.0MPa/621/566/538oC)和Eddystone #1(容量325MW、参数34.3MPa/649/566/566oC),就因超越了当时的材料制造水平,投运后出现爆管事故和严重的高温腐蚀等材料问题,而被迫降参数运行。</strong><br/><strong>事实证明,高参数电站需要具有较高蠕变强度及抗氧化性能的新型钢,从60年代开始,欧美和日本不断地开发出适用于不同蒸汽参数的钢种。特别是20世纪80年代,欧美和日本在9%~12%Cr系钢和奥氏体钢的基础上,进一步开发出改良型的高强度9%~12%Cr系钢代替部分奥氏体钢,并开发比原有奥氏体高温强度更高、耐腐蚀性能更好的新奥氏体钢,如:NF616(A335P92)、HCM12A(A335P122)、E911、NF12、TP347HFG、Super304H、HR3C、NF709等锅炉用钢,已有铁素体耐热钢的最高使用温度提高到620℃,有资料介绍,含钴的铁素体耐热钢(NF12、SAVE12、HR1200、TF650)最高使用温度有望达到650℃,但还需进一步试验。</strong><br/><strong>已投入工业运行的大直径、厚壁管材料见下表: </strong><br/><strong>用于大直径高温蒸汽管道材料的发展 </strong></p><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" width="605" border="1"><tbody><tr><td width="132"><br/><strong>年份 </strong></td><td width="108"><p align="center"><strong>美国 </strong></p></td><td width="192"><p align="center"><strong>欧洲 </strong></p></td><td width="180"><p align="center"><strong>日本 </strong></p></td></tr><tr><td width="132"><p align="center"><strong>60年代初期</strong></p></td><td width="108"><p align="center"><strong>T/P22</strong></p></td><td width="192"><p align="center"><strong>14MoV6-3</strong></p></td><td width="180"><p align="center"><strong>STPA24</strong></p></td></tr><tr><td width="132"><p align="center"><strong>60年代中期</strong></p></td><td width="108"><p align="center"><strong>T/P22</strong></p></td><td width="192"><p align="center"><strong>X20CrMoV12-1</strong></p></td><td width="180"><p align="center"><strong>STPA24</strong></p></td></tr><tr><td width="132"><p align="center"><strong>80年代中期</strong></p></td><td width="108"><p align="center"><strong>T/P91</strong></p></td><td width="192"><p align="center"><strong>X10CrMoVNb9-1</strong></p></td><td width="180"><p align="center"><strong>STPA28</strong></p></td></tr><tr><td width="132"><p align="center"><strong>90年代及目前已投入工业应用</strong></p></td><td width="108"><p align="center"><strong>T/P92</strong><br/><strong>T/P122</strong></p></td><td width="192"><p align="center"><strong>X10CrWMoVNb9-2</strong><br/><strong>X11CrMoWVNb9-1-1(E911)</strong></p></td><td width="180"><p align="center"><strong>STPA29(NF616)</strong><br/><strong>SUS410J3TP(HCM12A)</strong></p></td></tr></tbody></table></div><p><strong>2.2 高温蒸汽管道材料的性能</strong></p><p><strong></strong><strong></strong></p><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" width="605" border="1"><tbody><tr><td width="114"><p align="center"> <strong><br/> </strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>A335P91</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>A335P92</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>A335P122</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>E911</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>C</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.08-0.12</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.07-0.13</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.07-0.14</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.08-0.15</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>Si</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.20-0.50</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.50</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.50</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.07-0.54</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>Mn</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.30-0.60</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.30-0.60</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.07</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.27-0.64</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong></strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.02</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.02</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.02</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.025</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>S</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.01</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.01</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.01</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.015</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>Cr</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>8.00-9.50</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>8.50-9.50</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>10.00-12.5</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>8.40-9.60</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>Ni</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.40</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.40</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.50</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.08-0.45</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>Mo</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.85-1.05</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.30-0.60</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.25-0.60</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.86-1.15</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>W</strong></p></td><td width="114"><p align="center"> <strong><br/> </strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>1.5-2.0</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>1.50-2.50</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.86-1.14</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>Cu</strong></p></td><td width="114"><p align="center"> <strong><br/> </strong></p></td><td width="114"><p align="center"> <strong><br/> </strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.30-1.70</strong></p></td><td width="114"><p align="center"> <strong><br/> </strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>V</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.18-0.25</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.15-0.25</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.15-0.30</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.15-0.28</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>Nb</strong></p></td><td width="114"><p align="center"> <strong><br/> </strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.04-0.09</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.04-0.10</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.05-0.11</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>AI</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.04</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.04</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.04</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.045</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>B</strong></p></td><td width="114"><p align="center"> <strong><br/> </strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.001-0.006</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>≤0.0050</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.0003-0.0055</strong></p></td></tr><tr><td width="114"><p align="center"><strong>N</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.03-0.07</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.03-0.07</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.04-0.100</strong></p></td><td width="114"><p align="center"><strong>0.045-0.095</strong></p></td></tr></tbody></table></div><p><strong>高温蒸汽管道材料的主要物理性能(600℃下)</strong></p><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="1"><tbody><tr><td width="163"><p align="center"> <strong><br/> </strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>A335P91</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>A335P92</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>A335P122</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>E 911</strong></p></td></tr><tr><td width="163"><p align="center"><strong>比重×103kg/m3</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>7.77</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>7.85</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>待补 </strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>7.85</strong></p></td></tr><tr><td width="163"><p align="center"><strong>线膨胀系数10-6/℃</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>12.6</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>13.1</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>待补 </strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>12.6</strong></p></td></tr><tr><td width="163"><p align="center"><strong>弹性模量GPa</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>168</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>125</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>待补 </strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>167</strong></p></td></tr><tr><td width="163"><p align="center"><strong>比热容量J/ kg K</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>770</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>630</strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>待补 </strong></p></td><td width="101"><p align="center"><strong>579</strong></p></td></tr></tbody></table></div><p><strong>铁素体耐热钢的热导性及热膨胀性能均优于奥氏体不锈钢,有利于降低管道内的热应力水平,更适用于不大于620℃的高温蒸汽管道。</strong><br/><strong>高温蒸汽管道材料在设计温度下的最大许用应力 </strong></p><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" width="605" border="1"><tbody><tr><td width="141" rowspan="2"><br/><strong>材料牌号 </strong></td><td width="197" colspan="2"><p align="center"><strong>强度特性 </strong></p></td><td width="119" rowspan="2"><p align="center"><strong>最大许用应力MPa</strong><br/><strong>〔σ〕</strong><strong>608℃</strong><strong>/</strong><strong>〔σ〕</strong><strong>610℃</strong><strong><br/> </strong></p></td><td width="148" rowspan="2"><p><strong>标 准</strong></p></td></tr><tr><td width="120"><p align="center"><strong>105小时蠕变强度MPa</strong></p></td><td width="77"><p align="center"><strong>温度 (℃)</strong></p></td></tr><tr><td width="141"><p align="center"><strong>SA335P91</strong></p></td><td width="120"><p align="center"><strong>100</strong></p></td><td width="77"><p align="center"><strong>593</strong></p></td><td width="119"><p align="center"><strong>56.35/55.07</strong></p></td><td width="148"><p align="center"><strong>ASME</strong></p></td></tr><tr><td width="141"><p align="center"><strong>SA335P92(NF616)</strong></p></td><td width="120"><p align="center"><strong>131</strong></p></td><td width="77"><p align="center"><strong>600</strong></p></td><td width="119"><p align="center"><strong>81.14/79.42 *</strong></p></td><td width="148"><p align="center"><strong>ASME</strong></p></td></tr><tr><td width="141"><p align="center"><strong>SA335P122 (HCM12A)</strong></p></td><td width="120"><p align="center"> <strong><br/> </strong></p></td><td width="77"><p align="center"> <strong><br/> </strong></p></td><td width="119"><p align="center"><strong>75.61/73.84 **</strong></p></td><td width="148"><p align="center"><strong>ASTM</strong></p></td></tr><tr><td width="141"><p align="center"><strong>E911</strong></p></td><td width="120"><p align="center"><strong>108</strong></p></td><td width="77"><p align="center"><strong>600</strong></p></td><td width="119"><p align="center"><strong>65.06/63.33</strong></p></td><td width="148"><p align="center"><strong>按瓦内瑞克.曼内斯曼钢管公司(V&M)提供的105小时蠕变断裂强度计算而得</strong></p></td></tr></tbody></table></div><p><strong>说明:* 此数据是根据 ASME Code Case 2179 </strong><br/><strong>** 此数据是根据 ASME Code Case 2180</strong><br/><strong></strong>
<br/><strong>铁素体钢许用应力比较 </strong><br/><strong>此外,关于材料许用应力的值,在材料使用初期,试验未能达到105小时的时候,用各种外推的方法得到的数据,会由于试验数据的积累,发生一些变化。例如:对于P92和P122,在ASME CC2179和CC2180中都有不同程度的改变(日本标准也有相应的改变)</strong></p><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="1"><tbody><tr><td width="113"><p align="center"><strong>钢 号</strong></p></td><td width="113"><p align="center"><strong>标 准</strong></p></td><td width="113"><p align="center"><strong>550℃</strong></p></td><td width="113"><p align="center"><strong>600℃</strong></p></td><td valign="top" width="113"><p align="center"><strong>650℃</strong></p></td></tr><tr><td width="113"><p align="center"><strong>92</strong></p></td><td valign="top" width="113"><p><strong>ASME CC 2179</strong><br/><strong>ASME CC 2179-3</strong></p></td><td valign="top" width="113"><p align="center"><strong>107</strong><br/><strong>123</strong></p></td><td valign="top" width="113"><p align="center"><strong>88</strong><br/><strong>88</strong></p></td><td valign="top" width="113"><p align="center"><strong>47</strong><br/><strong>46</strong></p></td></tr><tr><td width="113"><p align="center"><strong>122</strong></p></td><td valign="top" width="113"><p><strong>ASME CC 2180</strong><br/><strong>ASME CC 2180-2</strong></p></td><td valign="top" width="113"><p align="center"><strong>111</strong><br/><strong>122</strong></p></td><td valign="top" width="113"><p align="center"><strong>93</strong><br/><strong>83</strong></p></td><td valign="top" width="113"><p align="center"><strong>46</strong><br/><strong>42</strong></p></td></tr></tbody></table></div><p><strong>可以看出,P122的600℃和650℃许用应力值在近年有较大的降低;而对于P92材料,欧洲蠕变研究协会ECCC在1999年和2005年的标准中,许用应力的数值比ASME标准又有所降低,使用时必须注意。</strong><br/><strong>不同标准的P92材料许用应力对比如下:</strong></p><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="1"><tbody><tr><td nowrap="nowrap" width="137"><br/><strong>温度oC</strong><br/> </td><td nowrap="nowrap" width="208"><p align="center"><strong>ASME Code Case 2179 MPa</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="125"><p align="center"><strong>ECCC99 MPa</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="134"><p align="center"><strong>ECCC05 MPa</strong></p></td></tr><tr><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="137"><p align="center"><strong>580</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="208"><p align="center"><strong>105.69</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="125"><p align="center"><strong>100.67</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="134"><p align="center"><strong>94.67</strong></p></td></tr><tr><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="137"><p align="center"><strong>590</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="208"><p align="center"><strong>96.75</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="125"><p align="center"><strong>90.67</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="134"><p align="center"><strong>84.67</strong></p></td></tr><tr><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="137"><p align="center"><strong>600</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="208"><p align="center"><strong>88.15</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="125"><p align="center"><strong>82.00</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="134"><p align="center"><strong>75.33</strong></p></td></tr><tr><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="137"><p align="center"><strong>610</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="208"><p align="center"><strong>79.71</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="125"><p align="center"><strong>73.33</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="134"><p align="center"><strong>66.67</strong></p></td></tr><tr><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="137"><p align="center"><strong>620</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="208"><p align="center"><strong>71.27</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="125"><p align="center"><strong>64.67</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="134"><p align="center"><strong>58.00</strong></p></td></tr><tr><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="137"><p align="center"><strong>630</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="208"><p align="center"><strong>63.05</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="125"><p align="center"><strong>56.67</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="134"><p align="center"><strong>50.00</strong></p></td></tr><tr><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="137"><p align="center"><strong>640</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="208"><p align="center"><strong>54.86</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="125"><p align="center"><strong>49.33</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="134"><p align="center"><strong>43.33</strong></p></td></tr><tr><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="137"><p align="center"><strong>650</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="208"><p align="center"><strong>47.00</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="125"><p align="center"><strong>42.67</strong></p></td><td valign="bottom" nowrap="nowrap" width="134"><p align="center"><strong>37.33</strong></p></td></tr></tbody></table></div><br/>
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