P92主蒸汽直管的選型及建議

徐傳海，薛家春

0 引言

目前，我國建設的600MW級與1000MW超超臨界機組的主蒸汽管材均為ASTM A335 P92。2006年，ASME鍋爐和壓力容器標準委員會發布了新的鍋爐和壓力容器規范案例Case 2179-6，與以前發布的案例Case 2179-3相比，此案例較大幅度地調低了高溫條件下P92管材的許用應力，對超超臨界機組主蒸汽道的選型與布置產生較大的影響。在此，依托東方汽輪機有限公司生產的660MW超超臨界汽輪機，探討P92主蒸汽直管選型及其相關問題，并提出建議。

1 汽輪機參數

東方汽輪機有限公司660MW超超臨界汽輪機的主汽門前額定壓力為25 MPa（a），主汽門前額定溫度為600℃，VWO工況的進汽量為2060 t/h，鍋爐的主蒸汽設計參數為壓力26.25MPa（a）、溫度605℃。

2 許用應力計算

最初，確定A335P92管道許用應力的依據是ASME Code Case 2179-3。2005年9月，歐洲蠕變委員會(ECCC)公布了評估后的P92材料10萬h持久強度數據，據此推算在高溫下P92的許用應力比ASME Code Case 2179-3低百分之十幾。之后，ASME鍋爐和壓力容器標準委員會修改Case 2179-3，于2006年8月4日發布Case 2179-6，后者溫度大于1000℉（537.8℃）時的A335 P92管材的許用應力取值比前者小，且溫度越高兩者的差值越大。另外，這次修改將P92管道（Pipe）從管子（Tube）列調入鍛件（Forgings）與鍛制管道（Forged Pipe）之列，進一步加大了P92管材高溫許用應力的降幅。修改前后的A335 P92管材高溫許用應力數據見表1。

表1 P92管材高溫許用應力對比數據Tab.1 P92 tube HT allowable stress comparison

我國采用國際單位制，計算P92管道許用應力時需要對表1的數據進行單位換算。其中，華氏溫度換算成攝氏溫度時常因四舍五入或舍尾而產生誤差，然后插值計算許用應力時又會產生誤差。為了消除或降低這些誤差的影響，在計算攝氏溫度對應的P92管材許用應力時，建議先將攝氏溫度換算成華氏溫度，用表1中的Case 2179-6列數據插值計算出單位為ksi的許用應力值，再乘以6.894757得到單位為MPa的許用應力值。由此計算所得的P92管道許用應力（用舍尾法保留3位小數）見表2。

表2 P92管道在590～615℃范圍內的許用應力Tab.2 P92 tube allowable stress within 590～615 ℃

由表2可知，P92管道當設計溫度為610℃時由Case 2179-6得到的許用應力是68.671 MPa，比由Case 2179-3得到的許用應力79.703 MPa低13.84%。

3 直管最小壁厚計算

超超臨界機組選用的P92進口管道價格昂貴，并且價格不斷攀升，給用年費用法優化確定主蒸汽管道的內徑帶來困難，當根據DL/T 5054—1996《火力發電廠汽水管道設計技術規定》控制主蒸汽管內蒸汽流速在40～60 m/s范圍內時，660MW超超臨界機組主蒸汽管道的主管最小內徑可取425 mm，支管最小內徑可取305 mm，其內徑正偏差分別為3.175 mm、2.362 mm。計算直管最小壁厚時，應考慮內徑正偏差，主蒸汽主、支管與之相應的內徑分別為428.175 mm、307.362 mm。

2006年5月18日，中國電力工程顧問集團公司明確在ASME Code Case 2179-3標準沒有更新及P92材料沒有列入歐洲標準的“過渡”時期，P92材料的許用應力建議與業主協商按降低后的數值取用，同時為安全起見，規定超超臨界機組主蒸汽管道的設計壓力按鍋爐最大連續蒸發量下過熱器出口的工作壓力加5%余量選取，設計溫度仍按《火力發電廠汽水管道設計技術規定》執行，即設計溫度為鍋爐過熱器出口蒸汽額定工作溫度加上鍋爐正常運行時允許的溫度偏差值，溫度偏差可取5℃。這樣，660MW超超臨界機組主蒸汽管道的設計壓力由鍋爐過熱器出口蒸汽壓力26.25 MPa(a)升至27.563 MPa(a)，設計溫度由鍋爐過熱器出口蒸汽溫度605℃升至610℃。

660MW超超臨界機組主蒸汽管道的計算參數不同，計算所得的P92直管最小壁厚不同。由DL/T 5366—2006《火力發電廠汽水管道應力計算技術規程》的直管最小壁厚公式所得的不同參數下的P92直管最小壁厚見表3。

表3 660MW超超臨界機組P92主蒸汽直管最小計算壁厚Tab.3 P92 main steam pipe minimum calculated wall thickness for 600MW USC units

從表3可知，660MW超超臨界機組的主蒸汽管道選用P92時，計算溫度增加5℃時直管計算最小壁厚增量大于5%，計算壓力增加5%時直管計算最小壁厚增量也大于5%，不過前者的壁厚增量大于后者，且既增溫5℃又增壓5%的壁厚增量大于這兩者各自的增量之和；按當前規定的方法計算660MW超超臨界機組的P92主蒸汽直管最小壁厚與按鍋爐過熱器出口蒸汽設計參數計算的最小壁厚相比，增厚13.037%，使最小內徑為425 mm的主蒸汽主管計算最小壁厚增厚11.221 mm，使最小內徑為305 mm的主蒸汽支管計算最小壁厚增厚8.055 mm。因此，按當前規定的方法選用660MW超超臨界機組的主蒸汽管道，只要鍋爐過熱器出口蒸汽的實際運行參數不超過26.25 MPa（a）/605℃，主蒸汽管道的壁厚余量就不小于13.037%，安全余度相當大。

現在設計的660MW超超臨界機組自控水平高，鍋爐過熱器出口蒸汽設定的超溫報警值不超過3℃，鍋爐過熱器出口蒸汽的超壓值也能控制在5%以下，因而主蒸汽既超溫5℃又超壓5%的持續時間將遠小于機組持續運行時間。鑒于鍋爐過熱器出口蒸汽超溫5℃與超壓5%同時發生的時間較短，可依照ASME B31.1第102.2.4條規定，計算偶然短期超溫超壓運行階段產生的環向應力，如果滿足下列條件應被認為是安全的：（1）在任一時期壓力和溫度波動時間不超過8 h，且每年不超過800 h，環向應力不大于相應溫度下許用應力的1.15倍；（2）在任一時期壓力和溫度波動時間不超過1h，且每年不超過80h，環向應力不大于相應溫度下許用應力的1.2倍。當最小內徑為305 mm的主蒸汽支管的最小壁厚取66.070 mm時，P92直管的許用應力增加15%。這樣，P92管材的許用應力由68.671 MPa增至78.971 MPa，對應計算壓力為 30.172 MPa(a)，比 26.25 MPa(a)高 3.922 MPa，壓力余量達到14.94%，這也就意味著在滿足運行時間限制的條件下，主蒸汽超溫5℃時，超壓14.94%運行是安全的。而在現有的技術水平下，將超溫、超壓運行時間控制在規定范圍內是很容易實現的。因此，根據ASME Code Case 2179-6確定A335 P92管材許用應力后，建議不用超溫5℃再增壓5%的工況來計算超超臨界機組P92主蒸汽直管的最小壁厚，即現階段仍然依照《火力發電廠汽水管道設計技術規定》確定超超臨界機組P92主蒸汽管道的設計壓力與設計溫度。

4 內徑管的壁厚偏差計算

采用內徑管的主蒸汽管道，壁厚負偏差為0，正偏差的大小與生產廠家及其生產工藝有關。美國公司生產的內徑管不提供壁厚正偏差數據，可以用管子系數求得。就美國萬門高登公司生產的內徑管而言，公稱壁厚等于最小壁厚除以管子系數。公稱壁厚大致地認為是制造管道的壁厚范圍的中間值，因此內徑管的壁厚正偏差（比值）大約是管子系數的倒數與1之差的2倍。

由SDGJ 6—90《火力發電廠汽水管道應力計算技術規定》得知，壁厚92.039 mm的管子系數是0.950，壁厚66.070 mm的管子系數是0.940。因此，最小內徑為425mm的內徑管公稱壁厚等于96.833 mm，比最小壁厚92.039mm厚4.844mm，多5.263%，壁厚正偏差大約是10.526%，壁厚范圍是92.039～101.727mm；最小內徑為305mm的內徑管的公稱壁厚為70.287mm，比最小壁厚66.070 mm厚4.217 mm，多6.383%，壁厚正偏差大約為12.766%，壁厚范圍為66.070～74.504 mm。顯然，壁厚正偏差將使所采購的內徑管的壁厚大于最小計算壁厚。

主蒸汽管道在工廠內配管時，壁厚正偏差大的管段應布置在溫度最高、壓力最大的鍋爐側，以使管道壁厚正偏差產生的壁厚余量得到合理利用。當最小內徑305 mm的內徑管的壁厚等于公稱壁厚70.287 mm（壁厚正偏差為6.383%）時，計算溫度取610℃可得計算壓力為 27.717 MPa(a)，比 26.25 MPa(a)高5.589%。因此，建議主蒸汽管道在工廠內配管時，將壁厚正偏差較大的管段布置在汽溫、汽壓高的鍋爐側，將壁厚正偏差較小的管段布置在汽溫、汽壓低的汽機側，以使完工后的主蒸汽管道具有更大的安全余度。

5 “C”值與直管訂貨最小壁厚

管道與管道或管件對焊時，為保證焊接質量，要求焊口處的內壁平齊，因而兩個對焊管道（或管件）的坡口需要將內徑加工成同一尺寸“C”。美國A/E公司規定“C”值等于最小內徑與總內徑正公差之和，即“C”值等于最大內徑。對于內徑管，“C”值等于最小內徑與內徑正偏差之和。加工管道（或管件）的對焊坡口時，尺寸“C”使對焊坡口的內徑擴大并可能產生加工過偏差，該偏差一般取0.254 mm（0.01 inch）。對于極限情況——內徑偏差為0的內徑管加工尺寸“C”時，坡口處管道壁厚的減薄量等于內徑正偏差與0.254 mm之和的一半，而內徑管的訂貨壁厚在扣除坡口加工尺寸“C”的減薄量后不得小于最小壁厚。因此，直管訂貨最小壁厚用式（1）計算：

式中：ta為直管訂貨最小壁厚，mm；tm為直管最小壁厚，mm；td為內徑正偏差，mm。

對于660MW超超臨界機組的P92主蒸汽管道，最小內徑為425 mm的主管訂貨最小壁厚為93.754 mm（直管最小壁厚為92.039 mm，內徑正偏差為3.175 mm），最小內徑為305 mm的支管訂貨最小壁厚為67.378 mm（直管最小壁厚為66.070 mm，內徑正偏差為2.362 mm）。

由此得知，660MW超超臨界機組主蒸汽管道可選用的P92直管訂貨規格為：主管最小內徑425 mm，最小壁厚93.8 mm；支管最小內徑305 mm，最小壁厚67.4 mm。

“C”值是不同供貨商所供管道或管件的對焊坡口的內徑加工尺寸，據此加工對焊坡口內徑時，管道內壁車加工掉的厚度有時比較大。對于已有的管道或管件，應盡力避免用“C”值加工對焊坡口。就主蒸汽管道在廠內配管而言，應盡力選配2根內徑相近的內徑管對焊，這樣在保證焊口處內壁平齊的情況下，能減少坡口加工時的壁厚減薄量。例如，2根到貨內徑為305 mm、壁厚均為67.4 mm的P92內徑管對焊時，坡口內壁可以不車削，壁厚不減薄能使610℃對應的計算壓力升至26.896 MPa(a)，與26.25 MPa(a)相比，增加壓力余量2.64%。

6 結論

（1）按當前的規定設計超超臨界機組主蒸汽管道，P92內徑管具有較大的壁厚余量。借ASME Code Case 2179-6降低P92管材許用應力之機，超超臨界機組主蒸汽管道宜用DL/T 5054—1996《火力發電廠汽水管道設計技術規定》來確定設計參數，即確定設計壓力時不考慮5%的壓力余量。主蒸汽管道在工廠內配管時，應將壁厚正偏差較大的管段布置在汽溫、汽壓高的鍋爐側，對焊口兩側內徑管的內徑應盡力相近，以使完工后的主蒸汽管道具有盡可能大的安全余度。

（2）超超臨界機組主蒸汽管道因設計溫度余量、設計壓力余量、訂貨內徑管的內徑偏差及壁厚偏差的累加作用而使實際運行時主蒸汽P92內徑管具有較大的壁厚余量。由于P92內徑管的進口價格昂貴，應適當減少P92內徑管的壁厚余量，以降低超超臨界機組主蒸汽管道的造價。為此，建議對我國已投運的超（超）臨界機組主蒸汽實際運行情況與P92內徑管的進口情況進行調研，搜集整理超（超）臨界機組主蒸汽運行參數及進口P92內徑管的內徑偏差與壁厚偏差，確定這些數據的分布范圍，分析主蒸汽管道設計余量范圍，為減少P92內徑管的壁厚余量及下一次修訂超超臨界機組主蒸汽管設計溫度與設計壓力的規定提供支持數據。

[1]楊建平,郭軍,喬亞霞.超超臨界機組用P92鋼焊接技術的研究[J].中國電機工程學報,2007,27(23):55-60.

[2]林學森,樊晨超,朱乃祥.超超臨界機組新型耐熱鋼T/P92焊接監理工作[J].電力建設,2007,28(11):89-91.

[3]胡平.超(超)臨界火電機組鍋爐材料的發展[J].電力建設,2005,26(6):26-29.

[4]DL5000—2000火電發電廠設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，2001.

[5]張磊，李廣華.鍋爐設備與運行（超超臨界火電機組叢書）[M].北京：中國電力出版社，2007.