超临界350MW电厂四大管道国产化应用分析
Analysis on the Localization Application of the Four Major Pipelines of Supercritical 350MW Power Plant
李海杰① LI Hai-jie；李传永② LI Chuan-yong；米连军① MI Lian-jun
（①神华神东电力山西河曲发电有限公司，河曲 036500；②山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013）
（①Shenhua Shendong Power Shanxi Hequ Power Generating Co.，Ltd.，Hequ 036500，China；
②Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp. Ltd.，Ji′nan 250013，China）
摘要：目前超临界机组四大管道采用进口产品带来的一系列问题，如价格昂贵，采购周期长，管道制造过程质量无法监督控制，造成电厂基建费用增加，建设周期长，现场安装前检验发现诸多质量缺陷等。通过对国内钢厂所生产的四大管道化学成分、性能指标分析及调研已应用国产化四大管道情况，为某350MW电厂机组四大管道国产化提出建议。
Abstract: At present, the four major pipelines of supercritical unit adopt imported product, which brings a series of problems, such as high cost, long purchasing cycle, lack of supervision and control of the pipe manufacturing quality, causing increase of power plant construction costs, long construction period, quality defects before site installation inspection, etc. Through analysis of the chemical composition and performance index of the four major pipelines manufactured by domestic steel mills and survey of the condition of domestically manufactured four major pipelines, this paper provides advice for the localization of four major pipelines for a 350MW power plant unit.
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关键词 ：四大管道；国产化；性能指标
Key words: four major pipelines；localization；performance indicators
中图分类号：TK223文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）20-0140-03
0引言
我国首台超临界600MW汽轮发电机组于2005年3月在华润常熟发电厂正式投入商业运行，从此，中国火力发电行业开始进入超（超）临界时期。经过近几年的发展，超临界350MW机组已经成为常规配置方案。中国电力工程顾问集团公司文件《电顾发电〔2008〕1033号》完善了四大管道的设计参数及材料的选用原则，超临界机组，主蒸汽管道的设计压力可取用锅炉最大连续蒸发量下过热器出口的工作压力。主蒸汽管道的设计温度和其他管道的设计参数按《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》（DL/5366-2006）执行。主蒸汽管道和热段蒸汽管道采用A335 P91材料。冷段蒸汽管道，当设计温度≤415℃时，采用 A672 B70 CL32材料；当设计温度>415℃时，采用A691 1-1/4Cr CL22材料（或性能相当的其他管材）。高压给水管道，高压给水管道采用EN10216-2标准的15NiCuMoNb5-6-4材料。
1国内生产现状
我国自从第一台超临界火电机组投产至今，超临界与超超临界机组的四大管道大部分电厂均采用进口管材，由于四大管道投资较大，约占项目投资的1%-1.5%左右，目前国外主要供应商如表1所示。
上述各国几乎垄断了世界全部耐高温高压厚壁成型材料。为了降低火电机组的项目投资，打破国外对四大管道的垄断，国内许多企业从我国第一台超临界机组投产后，就开始进行了四大管道国产化的研究工作，2007年8月华能济宁电厂、华能白杨河电厂、华能平凉电厂、华能营口电厂开始对四大管道国产化进行试点，目前这8台机组均投入商业运行，运行至今未出现任何问题。为进一步扩大与推动四大管道国产化进程，2010年11月国家能源局主持召开了超超临界火电机组四大管道国产化工作会议，2011年4月，国家能源局在北京组织召开了超（超）临界火电机组关键阀门和四大管道联合研发协议签约仪式，因此四大管道国产化是各电厂的必然趋势。国产P91管道最初供给锅炉厂做锅炉管道用，后开始用于主蒸汽管道及联箱上。目前，国内能够生产P91管道的共计6家，分别为北方重工集团有限公司、武汉重工铸锻有限公司、攀成钢、扬州诚德钢管有限公司、衡阳华菱钢管有限公司、四川三洲特种钢管有限公司。其中P91管材北方重工、扬州诚德、攀成钢、武汉重工已通过专家组评审，其生产的管材已达到或超过进口管实物的水平，并批量供哈锅、东锅、上锅、哈汽、上汽等单位。WB36管材北方重工、武汉重工、扬州诚德已批量生产，并有显著使用业绩。（表2）
2成分与性能指标分析
P91钢管：P91钢是用V、Nb元素进行微合金化并控制N元素含量的铁素体钢，具有较高的高温强度、优良的抗氧化性能和良好的工艺性能，在火力发电厂中被用于亚临界、超临界机组中的主蒸汽及再热蒸汽管道，P91钢C含量低而N含量高，同时Al含量也有限制，因此冶炼时的脱氧受到限制，导致气体含量增加，冶炼问题较多，过高的N含量会形成氮化物夹杂，Al、Ti在钢中会和N形成AlN、TiN硬质相，对材料塑性不利；S元素会弱化晶界并导致蠕变脆化，严重消弱P91钢的高温持久强度和蠕变性能，因此冶炼过程中要注意N元素的合金化和杂质元素S、P的去除，同时严格控制脱氧Al量，严格控制弱化晶界五害元素含量。WB36钢管：WB36钢是在碳锰钢的基础上添加Ni、Cu、Mo等合金元素形成，使用温度为350—400℃，在电厂中主要用于高压给水管道上，WB36钢中添加Nb元素使晶粒细化，并通过Cu析出物进行沉淀强化，为避免在热加工过程中出现脆性，需将Cu/Ni比控制在1/2范围内。因此，四大管道的机械性能优劣主要是材质各元素成份的控制，同时热处理工艺的控制也至关重要。目前国产四大管道生产状况是，四大管道国产化初期出现许多质量问题，主要表现为化学成分不满足标准要求，金相组织不合格，屈服强度和抗拉强度偏低等问题，经过不断的探索和工艺调整，目前国产四大管道已能满足相关标准和规范要求，在某些指标甚至优于国外标准。现将国产四大管道的化学成分与机械强度与ASME标准进行对比如表3所示。
P91钢管的金相组织为回火马氏体，采用正常热处理工艺的国产管道金相组织均合格。
国产P91常温力学性能测试情况见表4。
北方重工P91与国外P91机械性能对比见表5。
WB36钢管成份对比见表6。
WB36钢管金相组织为贝氏体+铁素体，其中贝氏体含量不低于40%，热处理工艺对于铁素体和贝氏体含量有重要影响，控制不当易出现铁素体含量超标，从而导致WB36钢强度偏低。WB36热处理工艺为880-980℃正火+580-680回火，热处理过程中要注意冷却速度，冷却速度过慢会形成大量铁素体，导致硬度和强度降低。目前，国产WB36热处理通常采用冷却方式有采用空冷、风冷和雾冷的方式，空冷方式较为常用，通过该方式进行热处理的WB36管材经检测金相组织均合格。
WB36机械强度对比见表7。
通过上述数据对比，国产P91管材与WB36管材的化学成份、室温力学性能、金相组织均符合相关标准要求，部分性能指标已超过国外同类型产品的性能，因此，国产P91、WB36管材能够满足当前火电厂四大管道使用要求。
对四大管道使用用户的调研情况：华能甘肃平凉电厂是我国首台超临界机组四大管道采用国产化的电厂，该电厂于2008年分别与北方重工、武汉重工签订了管道供货协议，其中主蒸汽管道、高压给水管道采用北方重工产品，再热热段采用武汉重工产品，再热冷段采用韩国EEW产品，5#机组于2010年2月投产，6#机组于2010年3月投产，投产至今以及在安装过程中，未发现任何质量缺陷。上海汽轮机厂主蒸汽管道主要采用北方重工与扬州诚德的产品，东方锅炉厂P91管材主要采用宝山钢铁公司、攀成钢、北方重工、武汉重工产品，上海汽轮机厂与东方锅炉厂自采用国产四大管道以来，未出现过质量问题。
2012 年8 月，北重集团与南通电厂签订了“江苏南通电厂2×1000MW级超（超）临界燃煤发电机组工程（四大管道国产部分）”供货合同，其中P92 材质的主蒸汽主管规格为ID368×96，国产化长度为160 米，管道设计压力为28.84MPa，设计温度为610℃；P92 材质的再热蒸汽热段主管规格为ID749×45，国产化长度为190 米，管道设计压力为7.237MPa，设计温度为608℃；15NiCuMoNb5-6-4（WB36）材质的给水主管规格为660×65，国产化长度为30 米，管道设计压力39MPa（阀前）/36MPa（阀后），设计温度为302℃。2014 年2 月26 日10 时18 分，江苏南通电厂1000MW 超超临界火电2#机组顺利通过168 小时测试，正式并网发电。标志着国产高端耐热钢大口径厚壁无缝钢管在超超临界机组四大管道上应用取得全面突破。
3结论
四大管道采用国产化无论从技术上还是使用的业绩上均是可行的，其采用国产化无论是工程造价还是生产供货周期均有利于整个工程项目的建设，为保证四大管道的质量，四大管道在投料生产过程中必须进行严格的质量监督，各项性能测试必须符合相关技术要求，否则严禁进入下一个环节的生产。四大管道过程检验的每一个环节均至关重要，目前，国内四大管道检测执行的标准主要有GB5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》、ASME SA-335/SA-335M-08、DIN EN 10216-2-2002、ASME A999/SA-999M、ASME A-530/A-530M、ASME SA-106，四大管道管材及管件的化学成份、硬度、拉伸试验、金相组织、拉伸强度、冲击功等各项数据必须符合或高于上述检测标准，350MW超临界机组的四大管道采用国产化是完全可行的。
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参考文献：
[1]火力发电厂汽水管道设计规定[S].北京:中国电力出版社，2000.
[2]发电技术，2012年4月.
[3]肖国华，王学民，马忠于，田晓，曹剑锋，李益民.超(超)临界机组四大管道国产化现状和质量概述[J].电力建设，2012（04）.