04火电机组四大管道国产化-上成套

火电机组四大管道国产化-2-目录1-引言2-四大管道的选材3-四大管道的国产化现状及制造工艺4-国产四大管道材料的性能水平5-四大管道国产化应用存在的问题及建议6-结语1、引言四大管道是指连接锅炉与汽轮机之间的主蒸汽管道、再热蒸汽管道热段、再热蒸汽管道冷段、高压给水管道以及相应旁路管道，主要为大口径厚壁无缝钢管。四大管道是火电机组的关键部件之一，其造价占投资项目的5%-8%，其质量对机组的安全运行非常重要。机组参数特别是蒸汽温度和压力的提高，对超（超）临界机组四大管道所用钢管的材料性能也提出了更高要求。1、引言2005年开始，国内多家制造企业联合大型发电集团、科研院所和高校，对超超临界机组用P92、P91钢管进行了全面系统的国产化研制工作。目前国内已有多家企业具备四大管道产业化的能力，自主研制的四大管道的性能基本能够满足相关标准的规定和电厂的使用要求，不少材料已经在电厂获得工程应用。2、四大管道的选材四大管道是电厂系统的重要组成部分，材料选择不当，可能造成电厂降参数运行，影响经济效益，严重者会带来安全问题。而考虑过大的设计裕量，会造成不必要的浪费。结合四大管道材料的应用和发展现状，介绍四大管道选材的基本要求。超超临界火电机组四大管道：主蒸汽管道再热蒸汽管道热段再热蒸汽管道冷段高压给水管道2.1、超超临界主蒸汽管道用材的选择主蒸汽管道用材的要求：一定的高温强度（使用温度下，10万小时的高温持久强度达到90-100MPa）。良好的抗蒸汽腐蚀性能材料的热膨胀系数比较小且导热率较大，以降低管道的热应力水平。2.1、超超临界主蒸汽管道用材的选择主蒸汽管道候选材料：P91P122E911P922.1、超超临界机组主蒸汽管道用材的选择P91材料的使用温度已达到极限。由于在610℃的许用应力低，计算壁厚达到104mm，管道较厚，导致热应力较大，且在现场单道焊口焊接施工时间长，焊接成本高，同时其经济性也略逊于P92，因此不建议采用P91作为超超临界主蒸汽管道材料。P122抗蒸汽氧化能力较强，但材料的焊接性能不好，且成分中含有1%的Cu会促使Laves相的析出和长大，长期组织稳定性最差；E911高温强度比P92和P122低，在经济性上没有优势。2.1、超超临界机组主蒸汽管道用材的选择P92高温持久强度高，焊接和其它热加工工艺与P91接近，抗蒸汽氧化能力也能满足要求，且经济上最优。综合技术和经济因素考虑，超超临界主蒸汽管道材料推荐优先采用P92钢。国内超超临界机组如华能玉环电厂和营口电厂二期等基本上都选择P92钢作为主蒸汽管道材料。2.2、超超临界机组再热蒸汽管道热段用材的选择主蒸汽管道选材要求基本相同高温再热蒸汽管道材料选择P91、P92、P122、E911钢均能满足要求。同样考虑P122的焊接技术难点和E911的价格问题，国内超超临界机组基本上只在P92和P91两种材料中选择2.2、超超临界机组再热蒸汽管道热段用材的选择高温再热蒸汽的温度较高，但压力较低，采用P91管道壁厚适中，不会出现高强度材料薄壁管道的焊接问题，在技术上也是可行的，且经济性也较好。因此建议目前超超临界高温再热蒸汽管道材料除考虑P92以外，可考虑保留P91材料作为一个选择。国内设计温度为610℃等级的高温再热蒸汽管道选用P91和P92的都有。如玉环电厂选择选择了P91作为高温再热蒸汽管道材料，而北疆电厂则选择了P92。再热蒸汽温度进一步提高到620℃以上，高温再热蒸汽管道材料都选择了P92。2.3、超超临界再热蒸汽管道冷段用材的选择超超临界高压缸排气压力和排气温度受低压缸排气温度的限制，与亚临界机组相比，变化不大；再热蒸汽管道冷段根据不同机型的具体情况确定其材料，但不涉及新材料的应用。高压缸最高允许排汽温度低于427℃的汽轮机，再热蒸汽管道采用碳钢材料A672B70CL32电熔焊接钢管；排汽温度高于427℃，采用低合金钢A691Cr1-1/4CL22电熔焊接钢管2.4、超超临界机组高压给水管道用材的选择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℃，因此超超临界机组给水温度仍将维持在300℃左右。此外超超临界高压给水管道压力只是略高于超临界机组，目前国内外高压给水管道普遍采用的EN10216-2标准的15NiCuMoNb5-6-4无缝钢管仍然适用超超临界机组，不涉及到新材料的应用。15NiCuMoNb5-6-4就是过去常说的WB36，WB36是德国瓦卢瑞克-曼内斯曼钢管公司的企业牌号。3、四大管道的国产化现状和制造工艺随着我国装备制造业水平的提高，制造企业研发能力也大幅提升，装备水平明显改善，质量管理体系逐步完备，综合素质显著增强，已有多家企业具备承担超超临界火电机组四大管道国产化任务的能力。国产四大管道的性能能够满足相关技术标准要求，并已在国内多家电厂投入使用。国内四大管道主要采用的制造工艺：垂直热挤压，周期式轧制，冲孔拉伸、锻造镗孔。3.1、垂直热挤压采用垂直热挤压机生产四大管道用大口径厚壁无缝钢管是工业发达国家传统的，成熟的工艺方法。工艺优点：无缝钢管在挤压生产过程中处于三向压应力状态，工件组织致密；热挤压工艺适合加工难变形金属材料，产品精度较高，内在质量好，且工艺流程较短。不足：生产设备复杂，厂房较高，投资比较大。3.1、垂直热挤压近年来，北方重工、河北宏润重工、青海康泰相继建成了3.6万吨、5万吨、6.8万吨热挤压机，实现了大口径厚壁钢管制造工艺的跨越发展和黑色金属挤压技术的重大突破，并且都超越了原来世界上最大的美国威曼-高登公司的3.15万吨热挤压机。北方重工用垂直挤压工艺生产的P91钢管已向华能平凉、营口、济宁、白杨河等电厂供货；P92钢管已向南通电厂供货。3.2、周期式轧制（皮尔格轧机）周期轧管机组（皮尔格轧机）这种机型较老，但生产的产品规格（Ф406-750mm）为市场需求量较大的部分，特别是火电机组主要使用的≤Ф711mm的厚壁管。目前仍然是生产四大管道的主力机型。工艺优点：以周期锻轧的方式生产钢管，具有锻轧的特性，轧管机最大延伸系数为8，这种变形工艺方式可以确保钢管内在质量，壁厚范围大，产品种类多，生产规模也较大。不足：生产时变形为间断式，钢管表面质量和尺寸精度不高。攀成钢、四川三州、衡阳华菱钢管分别拥有一条Ф508mm、Ф630mm、Ф720mm皮尔格周期轧管机组。3.3、冲孔拉伸（大顶管机组）大顶管轧管机产品规格范围宽，是生产直径大于750mm、壁厚为80-270mm无缝钢管的主要机型。工艺优点：生产工艺类似挤压成型，变形应力状态和内部组织实密性较好，质量类似锻造；适合生产小批量、多品种、附加值较高的产品。不足：生产效率不高，成材率低，需多火加热，能耗高。武汉重工铸锻有限责任公司有1套大顶管机组，生产规格Ф406-1016mm×25-120mm，生产能力2万吨。3.4、锻造镗孔锻造镗孔工艺是将无缝钢管的锻造坯料钻镗孔后，机械加工为无缝钢管，适合生产直径与壁厚都比较大的无缝钢管。工艺优点：实心坯料的中心区域被机械加工去除，钢管的成分偏析、夹杂物级别、内外表面性能差等都比较小。不足：材料利用率低，制造成本高。国内采用这种工艺生产厚壁无缝钢管的企业均为原来从事大中口径火炮生产的单位。如中原特钢股份有限公司、齐齐哈尔北方机器有限责任公司，早期北方重工业采用这种工艺生产P91、P92钢管。4、国产四大管道材料的性能水平4.1、国产P91钢管的性能4.1.1、化学成分表1：P91钢管的化学成分国产P91钢管的化学成分均符合ASMESA-335M的要求，且与住友P91钢管的化学成分差别不大。4.1.2、非金属夹杂物、显微组织和晶粒度国产钢管的显微组织为回火马氏体组织，晶粒度处在7.5-9.5级之间，一些产品不仅可以达到日本住友8.5-9级的水平，甚至可以更细。晶粒越细，有利于提高材料的抗蒸汽氧化性能。国产P91钢管的非金属夹杂物级别和晶粒度均符合GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》的要求。4.1.3、室温力学性能表2：P91钢管的室温拉伸性能名称Rp0.2/MPaRm/MPaA/％A53068024.0B58373022.5C52667324.5D49166826.0E52268025.0住友50366724.0ASMESA-335MP91≥415≥585≥13％4.1.3、室温力学性能国产和住友P91钢管的室温拉伸性能均符合ASMESA-335M的要求。国产钢管的塑性比住友钢管略好一些。从屈服强度试验结果来看，B厂较高，D厂略低，其它三家和住友处于同一水平；而从抗拉强度试验结果来看，除B厂较高外，其它厂家和住友处于同一水平室温拉伸强度的差别可能与它们的生产工艺不同有关。4.1.4、室温硬度表3：P91钢管的硬度试验结果国产P91钢管的硬度值均符合ASMESA-335M的要求。除B厂的硬度略高外，其它厂家和住友钢管处于同一水平。名称ABCDE住友ASMESA-335MP91HBW2.5/187.5205235215200205209≤2504.1.5、高温短时拉伸性能国产钢管的高温短时屈服强度均符合GB5310的要求。国产钢管在100-450℃的屈服强度与住友钢管处于同一水平，国产钢管在500-650℃的屈服强度略高于住友钢管。图1：国产和住友P91钢管的高温短时屈服强度4.1.6、高温持久强度国产钢管10万小时的持久强度外推值符合GB5310的要求，且和住友钢管的高温持久强度基本相当。由于缺乏更长试验时间的数据点，外推数据的可靠性有待进一步提高。图2：国产和住友P91钢管600℃的持久强度试验曲线4.2、国产P92钢管的性能4.2.1、化学成分表4：P92钢管的化学成分国产P92钢管的化学成分均符合ASMESA-335M的要求，且与住友P92钢管的化学成分差别不大。4.2.2、非金属夹杂物、显微组织和晶粒度国产钢管的显微组织为回火马氏体组织，晶粒度处在6-8级之间，一些产品不仅可以达到日本住友7级的水平，甚至可以更细。晶粒越细，有利于提高材料的抗蒸汽氧化性能。国产P92钢管的非金属夹杂物级别和晶粒度均符合GB5310-2008《高压锅炉用无缝钢管》的要求。4.2.3、室温力学性能表5：P92钢管的室温拉伸性能名称Rp0.2/MPaRm/MPaA/％A54069522.5W56571524.0D53167822.8住友54570523.5ASMESA-335MP92≥440≥620≥14％国产P92钢管的室温拉伸性能均符合ASMESA-335M的要求，且和住友钢管处于同一水平。4.2.4、室温硬度表6：P92钢管的硬度试验结果国产P92钢管的硬度值均符合ASMESA-335M的要求。除D厂的硬度略高外，其它厂家和住友钢管处于同一水平。名称AWD住友ASMESA-335MP92HBW2.5/187.5210212222209≤2504.2.5、高温短时拉伸性能国产钢管的高温短时抗拉强度均符合GB5310的要求，且略高于住友钢管的水平。图3：国产和住友P92钢管的高温短时抗拉强度4.2.6、高温持久强度国产钢管10万小时的持久强度外推值符合GB5310的要求，且和住友钢管的高温持久强度基本相当。由于缺乏更长试验时间的数据点，外推数据的可靠性有待进一步提高。上海发电设备成套设计研究院正在对国产P92钢管开展33000h的高温持久试验。图4：国产和住友P92钢管600℃的持久强度试验曲线10100100010100100010000100000断裂时间/h试验应力/MPa国产钢管住友钢管标准要求4.3、国产15NiCuMoNb5-6-4(WB36)钢管的性能4.3.1、化学成分表7：WB36钢管的化学成分国产WB36钢管的化学成分均符合EN10216-2的要求。除F厂将Cr含量控制较低外，其它元素含量，国产钢管和曼内斯曼钢管处于同一水平。4.3.2、室温力学性能表9：WB36钢管的室温拉伸性能