超(超)臨界機組四大管道國產化現狀和質量概述

肖國華，王學民，馬忠于，田曉，曹劍鋒，李益民

(1.西安熱工研究院有限公司，西安市，710043;2.陜西清水川發電有限公司，陜西省榆林市，710075)

0 引言

隨著經濟的快速發展，國內對能源的需求不斷增加，同時，環保要求也不斷提高。國內現有的能源結構決定了以燃煤發電為主的火力發電格局在很長一段時間內不會改變，因此發展大容量、高參數機組，特別是超超臨界機組將是一個必然趨勢，可提高發電效率、節約一次能源、改善環境、降低發電成本。截至2009年底，我國運行中的1 000 MW超超臨界機組已有21臺，在建的1 000 MW超超臨界機組12臺，我國已成為世界上擁有超超臨界機組最多的國家［1］。

火電機組四大管道指主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道(熱段)、低溫再熱蒸汽管道(冷段)和高壓給水管道。四大管道造價占項目總投資的5%～8%。四大管道長期依賴進口，價格、工期進度等因素往往受到制約。2005年開始，國內多家企業開始了四大管道的國產化工作，國產P91鋼最初是供給鍋爐廠做鍋爐管道用，之后逐漸開始用于主蒸汽管道和高溫聯箱。

1 四大管道國內生產情況

1.1 P91鋼管

P91鋼是用V、Nb元素進行微合金化并控制N元素含量的鐵素體鋼，具有較高的高溫強度、優良的抗氧化性能和良好的工藝性能，在大型超臨界火電機組上得到廣泛應用，并有20多年的運行經驗，是比較成熟的耐熱鋼種。為滿足國內建設超超臨界機組的需要，國家在“八五”期間就開始推進P91鋼的國產化工作，攀鋼集團成都無縫鋼管廠(以下簡稱攀成鋼)、上海寶鋼鋼管公司均生產過P91鋼管。目前，國內能夠生產P91鋼管的企業主要有6家，分別是北方重工集團有限公司、武漢重工鑄鍛有限責任公司、攀成鋼、揚州誠德鋼管有限公司、衡陽華菱鋼管有限公司和四川三洲特種鋼管有限公司。各家采購鋼坯來源和生產工藝如表1所示。

北方重工采用的是電爐冶煉+LF爐外精煉+VD真空除氣生產流程。生產厚壁P91無縫鋼管，早期采用的是鍛造鏜孔的工藝，材料利用率較低;后期投產的36 000 t垂直擠壓機，是目前世界上最大的垂直擠壓機，超越了美國威曼－高登的35 000 t垂直擠壓機，現在北方重工已可以用垂直擠壓工藝生產厚壁無縫鋼管。采用擠壓工藝生產的無縫鋼管在擠壓過程中處于三向壓應力狀態，工件組織致密;適合加工難變形金屬材料，可生產雙金屬材料和異性截面鋼管;尺寸和形狀精度高，材料利用率高，工藝流程短。北方重工P91鋼管已向華能平涼、營口、濟寧、白楊河等電廠供貨。

表1 國內主要P91鋼管生產企業Tab.1 Main manufacturers of P91 steel pipes in China

武漢重工的鋼管生產線于1995年底建成，并正式開始規模生產，設計生產能力為20 000 t/a，制管工藝采用穿孔拉伸法，與日本住友、德國VM公司工藝相近。武漢重工可以生產口徑較大、壁厚較薄的P91無縫鋼管，管徑最大為ID 914 mm×38 mm。

攀成鋼是國內最早開展P91國產化工作的企業，采用皮爾格周期式軋制工藝生產鋼管，其產品已向華能營口、白楊河電廠供貨。

1.2 P92鋼管

北方重工已完成了P92鋼管的試制工作，擬向華能南通電廠1 000 MW超超臨界機組四大管道國產化示范工程供貨。揚州誠德也完成了P92鋼管的試制工作，性能評定試驗正在進行中。

1.3 WB36鋼管

WB36鋼是在碳錳鋼的基礎上添加Ni、Cu、Mo等合金元素形成的，使用溫度為350～400℃，是超臨界機組主給水管道的首選材料。石洞口二期工程600 MW超臨界機組首次引進了WB36管道，用作水冷壁集箱、對流管等部件，使用溫度為465℃，最高壓力為31.2 MPa［2］。上述國內鋼管生產企業都可生產WB36鋼管，其中攀成鋼于1993年開始研制WB36無縫鋼管，采用工藝為電弧爐冶煉+ERS精煉+周期軋制+正火回火，其產品已應用于華能平涼、營口、濟寧、白楊河電廠;武漢重工的產品已應用于華能平涼電廠。

2 國產管件質量概況

四大管道國產化初期出現了較多的質量問題，主要表現為化學成分不滿足標準要求，金相組織不合格，屈服強度和抗拉強度偏低等。經過不斷地探索和工藝調整，目前國產四大管道已基本上滿足相關標準和規范的要求，在某些指標上甚至優于國外同類產品。

表2為國內企業生產的國產P91管道的化學成分比較。P91鋼C含量低而N含量高，同時Al含量也有限制，因此冶煉時的脫氧受到限制，導致氣體含量增加，冶煉問題較多。過高的N含量會形成氮化物夾雜，Al、Ti在鋼中會和N形成AlN、TiN硬質相，對材料塑性不利;S元素會弱化晶界并導致蠕變脆化，嚴重削弱P91鋼的高溫持久強度和蠕變性能，因此冶煉過程中應注意N元素的合金化和雜質元素S、P的去除，同時應嚴格控制脫氧Al量，嚴格控制弱化晶界的五害元素含量。由表2可知，各廠家在化學成分控制上，基本都能滿足ASME規范要求。在C、S、P元素的控制上，北方重工和武漢重工做得較好［3-6］。

表2 國產P91鋼管化學成分比較Tab.2 Comparison of chemical composition on domestic P91steel pipe %

WB36鋼中添加Nb元素使晶粒細化，并通過Cu析出物進行沉淀強化，為避免在熱加工過程中出現脆性，需將Cu/Ni比大致控制在1/2［7］。表3給出了幾家國產WB36鋼管的化學成分比較，各家企業生產的WB36鋼管化學成分基本滿足EN10216－2技術條件要求。攀成鋼將Cr含量控制得較低(﹤0.1%)，其余幾家企業包括德國的VM 公司，Cr含量一般在0.2% ～0.3%，而EN標準只對Cr含量上限進行了規定，并未規定下限。

對國產鋼管進行室溫拉伸性能和沖擊功比較，數據匯總如表4所示。由表4可知，國產P91鋼管基本都能滿足ASME規范要求;國產WB36鋼管的室溫拉伸性能和沖擊功均能滿足相關標準要求，但普遍出現抗拉強度靠近下限的情況，因此熱處理工藝仍需改進。

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P91鋼管金相組織為回火馬氏體，采取正常熱處理工藝生產的國產管道的金相組織均合格，但應注意以下問題:(1)回火過度(回火溫度過高或回火時間過長)導致形成回火索氏體，板條特征不明顯(圖1)，這種組織對于材料的高溫持久性能是有害的;(2)金相組織中δ鐵素體含量超標，DL/T 438—2009《火力發電三金屬技術監督規程》［8］規定，P91材料中δ鐵素體含量不超過5%，δ鐵素體會對材料的韌性產生不利影響;(3)不當的熱處理工藝形成反常組織，無馬氏體組織形態。

圖1 P91鋼回火過度后的金相組織(200倍)Fig.1 Over tempered metallographic structure of P91 steel

WB36鋼管金相組織為貝氏體+鐵素體，其中貝氏體含量不低于40%。熱處理工藝對于鐵素體和貝氏體的相對含量有重要影響，控制不當易出現鐵素體含量超標的情況，從而導致 WB36鋼強度偏低［9］。EN10216－2004給出的WB36鋼的熱處理工藝為:880～980℃正火+580～680℃回火，溫度范圍較寬。對于厚壁管道，熱處理過程中要格外注意冷卻速度，冷卻速度過慢會形成大量的鐵素體，導致強度和硬度偏低。在實際生產過程中，對壁厚不同的管道應采取不同的冷卻方式(空冷、風冷或霧冷)。圖2是國內外WB36管道的典型金相照片。可見，與國外管相比，國產管金相組織中鐵素體含量偏多，組織均勻性也稍差。

圖2 國內外WB36鋼管金相組織比較(200倍)Fig.2 Comparison of metallographic structure of WB36 steel pipe between Domestic and foreign manufacturers

總的來說，國產管的化學成分、室溫力學性能、金相組織等基本符合相關標準要求，但部分國產管的高溫蠕變持久性能還存在一些問題，比如某廠生產的P91鋼管600℃下10萬h的持久強度外推值為89.4 MPa，低于規范的推薦值(93 MPa)。國產管還存在金相組織異常、晶粒不均勻、室溫力學性能不穩定、管材表面缺陷等問題。

國產管在批量生產階段經常出現質量不穩定的問題，這與生產過程中的工藝執行和質量控制有一定的關系。為保證國產管道的質量，一方面，需要生產廠家加強質量管理;另一方面，可委托獨立機構進行管道生產階段的監造。

3 四大管道國產化經濟效益分析

四大管道國產化帶來的經濟效益是明顯的，經過與同期威曼高登、曼內斯曼、日本住友等國外產品報價綜合比較，首批應用國產管材的8臺機組(分別應用于華能營口、平涼、濟寧、白楊河電廠)，可降低成本8 000～10 000萬元。

以華能平涼電廠2×600 MW機組(國產管道)和中國水電集團崇信電廠2×600 MW機組(進口管道)為例，同參數(25.4 MPa/576℃)同規格的主蒸汽主管ID431.8 mm×77 mm，美國威曼高登比北方重工價格高出29.16%;同參數主蒸汽支管ID304.8 mm×56 mm，美國威曼高登比北方重工價格高出57.73%。華能平涼電廠主蒸汽管道總長(主管235 m，支管165 m)比中水崇信電廠(主管 228 m，支管166 m)長6 m(主管長7 m，支管短1 m)，平涼電廠主蒸汽管道造價仍比崇信電廠低約1千萬元。

隨著國產管材的成功應用，國外產品價格一路走低。日本住友A335P91規格ID747 mm×45 mm鋼管，2009年4月價格為109 500元/t，至2009年11月降為47 000元/t，降幅超過57%。德國V＆M WB36鋼管，2008年9月規格OD660 mm×70 mm價格為85 000元/t，2009年7月規格OD762 mm×80 mm價格為39 000元/t，可以看出在10個月中德國 V＆M WB36鋼管降幅達到54%。

4 結語

國內目前已有多家企業具備了四大管道的生產能力，產品質量已能滿足相關標準要求，國產四大管道已在國內多家電廠投入使用，取得了良好的社會效益和經濟效益。推動四大管道和電站金屬材料的國產化，對于有效降低機組造價成本、振興民族制造業都具有重要意義。

［1］楊富.超超臨界機組管道及管件國產化的現狀和展望［C］//超超臨界機組管道管件國產化會議論文集，天津:中國電機工程學會，2010:1-6.

［2］郭元蓉.WB36鋼熱軋無縫鋼管的研制［J］.鋼管，2000(8):6-8.

［3］華能平涼電廠二期2×600 MW機組四大管道監造技術報告［R］.西安:西安熱工研究院有限公司，2010.

［4］華能營口熱電廠2×330 MW新建機組四大管道監造技術報告［R］.西安:西安熱工研究院有限公司，2010.

［5］華能濟寧電廠2×350 MW燃煤機組四大管道監造技術報告［R］.西安:西安熱工研究院有限公司，2010.

［6］華能白楊河電廠2×300 MW機組四大管道監造技術報告［R］.西安:西安熱工研究院有限公司，2010.

［7］瓦盧瑞克－曼內斯曼鋼管公司.T(P)91和T(P)92鋼手冊［M］.瓦盧瑞克－曼內斯曼公司，2005.

［8］DL/T 438—2009火力發電廠金屬技術監督規程［S］.北京:中國電力出版社，2009.

［9］超超臨界機組常用新型耐熱鋼硬度與其它力學性能關系的試驗研究［R］.西安:西安熱工研究院有限公司，2010.