P92和G115在630℃超超臨界電站機組管材選用分析

趙洪偉，劉 利

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120)

0 引言

基于“30·60”的雙碳戰略目標，我國煤電機組的發展將面臨重大轉型。但由于我國多煤、缺油、少氣的能源特點，煤炭仍是我國能源消費的主力，而提高蒸汽初參數是燃煤機組節能減排的有效方法之一。

機組參數的提高離不開材料的發展，本文介紹了目前超超臨界機組中廣泛使用的P92(X10CrWMo VNb9-2)和擬在630℃機組中采用的國產G115(08Cr 9W3Co3VNbCuBN)管材[1]，對進汽參數為35 MPa/ 615 ℃/630 ℃/630 ℃機組的主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道管材選擇進行技術經濟比較，提出630 ℃電站機組主蒸汽和高溫再熱蒸汽管材選擇建議。

1 國內630 ℃電站機組主機研發情況

從2016年開始，結合630 ℃示范電站項目，國內各大鍋爐、汽機及高溫高壓管材制造廠均進行了630 ℃高溫材料的研發和材料性能試驗，以及管道材料的焊接、抗氧化性等性能的工藝評定工作。

各大汽機廠已完成汽輪機630 ℃高溫轉子鍛件、汽缸和閥殼鑄件及高溫葉片等主要高溫部件選材、研發和設計，同時完成了相關材料的焊接、抗氧化性等性能的工藝評定和產品的驗證評審。各大鍋爐廠對630 ℃機組的鍋爐高溫受熱面材料的選擇為：鍋爐過熱器和再熱器高溫段受熱面采用奧氏體不銹鋼Sanicro25材料[2]；高過出口集箱和高再出口集箱及管道采用馬氏體耐熱鋼G115。Sanicro25材料已有在投產的項目成功應用的范例。G115為國產自主研發管道材料，目前已進入商業設計制造階段。

國內630 ℃電站機組主機已經完成相關設計研發和技術評定，具備工程應用條件。

2 630 ℃電站機組高溫高壓管道材料

主蒸汽和再熱熱段管材的選用，主要考慮高溫熱強度、耐高溫腐蝕性和良好的加工、焊接性能，并且經濟合理。對于630 ℃電站機組高溫高壓管道材料，主要考慮在P92和G115兩種材料中進行比選。

2.1 P92材料的特點及應用

P92是9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼的一種，是在P91鋼的基礎上添加1.8%的W元素，適當減少Mo元素的含量，采用加W減Mo的W-Mo復合固溶強化方法開發出來的一種高溫耐熱鋼，其Cr合金含量與P91相同，在9%左右，抗氧化性能與P91也基本相同。與P91相比，抗蒸汽腐蝕性能相當，持久強度大幅提高。因此P92在600～620 ℃的高效超超臨界機組中廣泛應用。隨著溫度的提高，P92材料持久強度逐漸降低，過去幾十年，美國ASME、歐盟ECCC及EN和日本METI等機構先后在不斷積累和完善試驗和運行數據的基礎上，對P92材料的許用應力進行了下調，P92材料許用應力變化見表1所列。

表1 P92材料許用應力變化表

目前我國的GB 50764—2012《電廠動力管道設計規范》DL/T 5366—2014《發電廠汽水管道應力計算技術規程》[2]和DL/T 5054—2016《火力發電廠汽水管道設計規范》等規范，對P92的許用應力的取值均按照EN10216-2標準取值，且材料的牌號按EN10216-2標準的牌號，即X10CrWMoVNb9-2。

P92在630～650 ℃溫度條件下，由于高溫持久強度下降較多，已不再適用高于630 ℃的蒸汽管道。因此：①《鍋爐安全技術規程》(TSG11—2020)”規定，P92作為管道和聯箱，允許使用溫度的上限為630 ℃；②《火力發電廠汽水管道設計規范》規定，P92管材的推薦使用溫度，不高于621 ℃；③在ASME CASE 2179-3—2179-7中規定，外徑大于3.5 in(89 mm)的P92管材允許使用溫度的上限為621 ℃。

目前國內已成功投產運行的1 000 MW高效超超臨界機組，其主蒸汽或高溫再熱蒸汽管道采用P92材料的，汽輪機入口蒸汽溫度最高工作溫度為620 ℃，對應管道設計溫度為628 ℃。

理論上，當管道設計溫度不低于630 ℃時，不再允許使用P92材料。

2.2 G115材料的特點及應用

G115是由我國研制的一種馬氏體耐熱鋼。2014年11月，G115鋼獲得國家發明專利授權“蒸汽溫度超超臨界火電機組用鋼及制備方法”[3]。

G115原型鋼的研發采用了電站耐熱材料的“選擇性強韌化”設計觀點[4]，融合了“多元素復合強化”理論和“熱強鋼晶界工程學原理”的窄范圍成分匹配與精確控制技術，結合了MarBN鋼的研究基礎，通過添加沉淀析出型元素Cu提高強度，充分發揮B冶金強化作用，提高高溫下晶界的強度和韌性，控制Ni、Al、B和N元素之間的配比，將鐵素體耐熱鋼的使用溫度推進到了650 ℃。G115材料化學成分見表2所列。

表2 G115材料化學成分表(質量分數%)

G115持久強度高，如圖1所示是P92、Sanicro25和G115高溫許用應力的比較(縱坐標是許用應力)，G115在630 ℃下的持久強度約為P92的1.6倍。

圖1 P92、Sanicro25和G115高溫許用應力比較

G115抗蒸汽腐蝕性能也優于P92。如圖2所示是P92、T122和G115抗氧化能力的比較(縱坐標是示意氧化顆粒的增加量)，G115的含鉻量與P92基本相同(9%)，從圖2可以看出，600 ℃以上G115的抗氧化能力接近含鉻為12%的T122材料。

圖2 P92、T122和G115抗氧化能力比較

G115在630～650 ℃溫度范圍內具有優異的高溫持久性能，其抗氧化性強，為火電機組溫度提高至630 ℃奠定了材料基礎。

2.3 G115管道的研制應用情況

2012年起，依托國家科技部863計劃“先進超超臨界火電機組關鍵鍋爐管開發”項目，我國開展了G115 鋼厚壁大口徑管的研發。目前已經具備了生產外徑尺寸19～1 200 mm，壁厚2～100 mm 全譜系鍋爐管的能力。

2017年12月，全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會召開了G115鋼管技術評審會。結論為G115鋼管系列溫度(100～700 ℃)高溫力學性能試驗結果符合金屬材料高溫力學性能規律，650 ℃高溫抗氧化性能能夠達到GB/T 13303《高溫抗氧化性能測試方法》規定的1級(完全抗氧化性)要求。

2017年納入中國鋼鐵工業協會團體標準T/CISA 003—2017《電站用新型馬氏體耐熱鋼08Cr9W3Co3VNbCuBN(G115)無縫鋼管》，及中國材料與試驗團體標準T/CSTM 00017—2017《T/CSTM 00017—2017 電站用馬氏體耐熱 鋼 08Cr9W3Co3VNbCuBN(G115)》。 目 前T/CSTM00017標準已頒布了2021修訂版，增加了對G115鍛件、對焊管件和感應加熱彎管的標準和要求。

2020年12月，國家市場監督管理總局特種設備安全與節能技術委員會鍋爐分技術委員會組織召開了對630 ℃超超臨界機組示范項目鍋爐用G115鋼新材料使用可行性的評審會。從材料性能、使用可行性、首次應用范圍等方面開展技術研討，最終G115通過使用可行性評審。為G115應用于鍋爐、壓力管道等特種設備提供技術支撐。

2.4 P92與G115比較

1)主要力學性能比較

G115與P92主要力學性能見表3和表4所列。

表3 ?鋼材在下列溫度下的許用應力

表4 ?鋼材在下列溫度下的彈性模量和線膨脹系數

2)初投資

根據2020年版《限額設計參考造價指標》，用于主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道的P92鋼材單位造價分別為7.22萬元和7.58萬元。

由于G115尚未有簽訂合同，市場價格不明確，據了解其價格約為P92價格的2倍左右。由于G115鋼材的許用應力高，其管道的壁厚薄于P92材料。粗略估算，相同設計參數及相同內徑條件下，G115鋼管的費用約為P92鋼管的1.36倍。

3)焊接性能定性對比

目前主要是通過提高冶金質量和降低雜質元素含量以及縮短細晶粒區的寬度避免焊接裂紋，提高9%～12%馬氏體耐熱鋼焊接接頭的持久性。P92/G115均為9%～12%馬氏體耐熱鋼。

P92應用成熟廣泛，焊接工藝比較成熟可靠，焊接性能好。

G115的可焊性評定工作是采用Gr92焊材、182鎳基焊材、Chromet焊材焊接，按照相關規范進行檢驗和試驗，焊接試驗結論是對于小口徑的G115可焊性良好。對于大口徑厚壁管，2019年6月，在進行相關試驗時，焊縫熱影響區出現了顯微裂紋，通過針對性的冶金工藝可以解決大口徑厚壁管的焊接問題，并經過試驗檢驗。目前，我國已掌握了G115大管的焊接及焊后熱處理工藝，并完成了焊接工藝評定。

工程應用中，對于G115材料的較小口徑鋼管和大口徑鋼管可采取不同的冶金和焊接工藝，一定程度上可以降低工程造價。

3 630 ℃超超臨界機組高溫高壓管道選型研究

3.1 機組主要參數

相對于620 ℃超超臨界機組，630 ℃電站機組的主蒸汽溫度和高溫再熱蒸汽的溫度均有提高。機組主要技術參數見表5所列。

表5 機組主要技術參數表

3.2 主蒸汽管道選材分析

對于機組參數35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃，鍋爐過熱器出口蒸汽額定工作溫度為620 ℃，考慮5 ℃的溫度允偏值，主蒸汽管道設計溫度為625 ℃。設計溫度從610 ℃提升到625 ℃，A335P92材料的許用應力將從66.7 MPa衰減至54 MPa；同時過熱器出口蒸汽額定壓力從33.6 MPa提升到了36.75 MPa，依據《電廠動力管道設計規范》，630 ℃機組的主蒸汽管道設計壓力約為38.49 MPa。若630 ℃機組主蒸汽管道仍然采用A335P92材料，則管道壁厚將會大大增加。

主蒸汽系統按采用雙管制配置，單根管道介質流量為1/2的鍋爐最大連續出力(boiler maximum continuous rate，BMCR)流量，主蒸汽管道設計壓力約為38.49 MPa，考慮采用A335P92材料，按照《發電廠汽水管道應力計算技術規程》中管道外徑與內徑之比小于等于1.7的薄壁管的壁厚計算方法，得到主汽管道的規格為ID330×156，但管道外徑與內徑之比Do/Di已超過1.7，薄壁管道計算方法已不適用，根據《發電廠汽水管道應力計算技術規程》條文說明中摘錄的歐洲標準EN13480中Do/Di>1.7的管道壁厚計算公式，計算得到的主汽管道規格為ID330×240，壁厚和管道管道重量大幅增加，將導致管道布置和應力計算難度增大，管道的加工及支吊架購置費、廠房建筑費用、管道安裝費用大幅上升，工程實際應用不具備可行性。因此，對于主蒸汽參數選用35 MPa/615 ℃的大容量機組，主蒸汽管道應采用在設計溫度下具有更高許用應力的材料。

3.3 高溫再熱蒸汽管道選材分析

對于630 ℃的一、二次高溫再熱蒸汽管道，在鍋爐再熱器出口蒸汽額定工作溫度632 ℃的基礎上考慮5 ℃的溫度允偏值，管道設計溫度達到637 ℃。在此溫度下，根據歐盟標準EN10216-2中數據計算得到P92材料(歐盟標準中材料牌號為X10CrWMoVNb9-2)許用應力為45.31 MPa，相較于620 ℃二次再熱機組，其許用應力降低，再疊加壓力提升的影響，若采用A335P92材料，630 ℃機組相比較620 ℃機組，一次和二次高溫再熱蒸汽管道壁厚將會更厚。

對于630 ℃二次再熱機組，高溫再熱蒸汽管道設計溫度達到637 ℃，在此溫度下，A335P92材料的許用應力和抗蒸汽氧化能力將大大降低，因此A335P92材料已無法滿足機組參數要求，需要采用具有更高強度和更高抗氧化能力的管道材料。

3.4 主蒸汽和高溫再熱管道新材料的選用

目前，在630～650 ℃溫度區間，國產G115馬氏體耐熱鋼是一種合適的材料。

系統按主蒸汽管道、一次和二次高溫再熱蒸汽管道采用“雙管”制，根據管道的設計參數及1 350 MW機組的主蒸汽和高溫再熱蒸汽的流量，核算主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道的規格見表6所列。

表6 主蒸汽和高溫再熱管道規格對比表

由表6看出，相較于P92，采用G115材料使管道壁厚大幅降低，尤其是主蒸汽管道壁厚減小明顯，由此引起的管道重量也大幅下降。相較于P92，采用G115材料能大幅減少主蒸汽和再熱蒸汽管道總用量。

參考同類型機組管道長度，主蒸汽、一次和二次高溫再熱管道采用G115和P92材料的投資費用見表7所列。

表7 主蒸汽和高溫再熱管道投資對比表

G115材料的應用解決了蒸汽參數提高至630℃主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道選材的問題，減少了主蒸汽和再熱蒸汽管道壁厚，降低了管道支吊架、主廠房鋼結構的初投資及管道安裝等費用。可以減少火電機組高溫管材的投資費用，對于35MPa/615℃/630℃/630℃機組的主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道采用G115材料管材更為合理。

3.4 630 ℃電站機組高溫管道選擇建議

對于35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃機組的主蒸汽和高溫再熱蒸汽管道材料的選擇有以下建議：

1)主蒸汽管道雖然設計溫度低于630 ℃，但設計壓力很高，采用P92材料，管道重量增加72%以上，工程實際應用基本不具備可行性。故主蒸汽管道推薦采用G115材料；

2)機組的再熱進汽溫度為630 ℃的高溫再熱管道采用G115材料；

3)G115相對P92可以大大減小管道的壁厚和重量，降低施工難度和工程初投資。隨著G115材料工程化應用的推進，將廣泛應用在600～630 ℃的火電機組上。

4)目前G115材料的各項商用工作已基本完成，可以實現批量生產，但尚未有工程實際投產應用案例，建議跟蹤示范電站項目和G115材料的應用進展情況。

4 結語

我國研發的具有自主知識產權的650 ℃先進馬氏體耐熱鋼G115，可以應用于630 ℃超超臨界二次再熱機組鍋爐過熱器集箱、再熱器集箱、主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道的制作，并以此帶動我國材料工業的發展。

鑒于G115材料優異的高溫持久性能和較高的抗蒸汽腐蝕性能，理論上可以代替目前600～620 ℃超超臨界機組使用的P92，可以大大減小管道的壁厚，降低設計及施工的難度和工程的初投資。

隨著G115材料工程化應用的推進和量產化，可以廣泛應用在600～630℃的火電機組上，并提升火電機組的參數到630℃的時代。