P92和G115在630℃超超临界电站机组管材选用分析

赵洪伟，刘 利

(中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

0 引言

基于“30·60”的双碳战略目标，我国煤电机组的发展将面临重大转型。但由于我国多煤、缺油、少气的能源特点，煤炭仍是我国能源消费的主力，而提高蒸汽初参数是燃煤机组节能减排的有效方法之一。

机组参数的提高离不开材料的发展，本文介绍了目前超超临界机组中广泛使用的P92(X10CrWMo VNb9-2)和拟在630℃机组中采用的国产G115(08Cr 9W3Co3VNbCuBN)管材[1]，对进汽参数为35 MPa/ 615 ℃/630 ℃/630 ℃机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道管材选择进行技术经济比较，提出630 ℃电站机组主蒸汽和高温再热蒸汽管材选择建议。

1 国内630 ℃电站机组主机研发情况

从2016年开始，结合630 ℃示范电站项目，国内各大锅炉、汽机及高温高压管材制造厂均进行了630 ℃高温材料的研发和材料性能试验，以及管道材料的焊接、抗氧化性等性能的工艺评定工作。

各大汽机厂已完成汽轮机630 ℃高温转子锻件、汽缸和阀壳铸件及高温叶片等主要高温部件选材、研发和设计，同时完成了相关材料的焊接、抗氧化性等性能的工艺评定和产品的验证评审。各大锅炉厂对630 ℃机组的锅炉高温受热面材料的选择为：锅炉过热器和再热器高温段受热面采用奥氏体不锈钢Sanicro25材料[2]；高过出口集箱和高再出口集箱及管道采用马氏体耐热钢G115。Sanicro25材料已有在投产的项目成功应用的范例。G115为国产自主研发管道材料，目前已进入商业设计制造阶段。

国内630 ℃电站机组主机已经完成相关设计研发和技术评定，具备工程应用条件。

2 630 ℃电站机组高温高压管道材料

主蒸汽和再热热段管材的选用，主要考虑高温热强度、耐高温腐蚀性和良好的加工、焊接性能，并且经济合理。对于630 ℃电站机组高温高压管道材料，主要考虑在P92和G115两种材料中进行比选。

2.1 P92材料的特点及应用

P92是9%～12%Cr马氏体耐热钢的一种，是在P91钢的基础上添加1.8%的W元素，适当减少Mo元素的含量，采用加W减Mo的W-Mo复合固溶强化方法开发出来的一种高温耐热钢，其Cr合金含量与P91相同，在9%左右，抗氧化性能与P91也基本相同。与P91相比，抗蒸汽腐蚀性能相当，持久强度大幅提高。因此P92在600～620 ℃的高效超超临界机组中广泛应用。随着温度的提高，P92材料持久强度逐渐降低，过去几十年，美国ASME、欧盟ECCC及EN和日本METI等机构先后在不断积累和完善试验和运行数据的基础上，对P92材料的许用应力进行了下调，P92材料许用应力变化见表1所列。

表1 P92材料许用应力变化表

目前我国的GB 50764—2012《电厂动力管道设计规范》DL/T 5366—2014《发电厂汽水管道应力计算技术规程》[2]和DL/T 5054—2016《火力发电厂汽水管道设计规范》等规范，对P92的许用应力的取值均按照EN10216-2标准取值，且材料的牌号按EN10216-2标准的牌号，即X10CrWMoVNb9-2。

P92在630～650 ℃温度条件下，由于高温持久强度下降较多，已不再适用高于630 ℃的蒸汽管道。因此：①《锅炉安全技术规程》(TSG11—2020)”规定，P92作为管道和联箱，允许使用温度的上限为630 ℃；②《火力发电厂汽水管道设计规范》规定，P92管材的推荐使用温度，不高于621 ℃；③在ASME CASE 2179-3—2179-7中规定，外径大于3.5 in(89 mm)的P92管材允许使用温度的上限为621 ℃。

目前国内已成功投产运行的1 000 MW高效超超临界机组，其主蒸汽或高温再热蒸汽管道采用P92材料的，汽轮机入口蒸汽温度最高工作温度为620 ℃，对应管道设计温度为628 ℃。

理论上，当管道设计温度不低于630 ℃时，不再允许使用P92材料。

2.2 G115材料的特点及应用

G115是由我国研制的一种马氏体耐热钢。2014年11月，G115钢获得国家发明专利授权“蒸汽温度超超临界火电机组用钢及制备方法”[3]。

G115原型钢的研发采用了电站耐热材料的“选择性强韧化”设计观点[4]，融合了“多元素复合强化”理论和“热强钢晶界工程学原理”的窄范围成分匹配与精确控制技术，结合了MarBN钢的研究基础，通过添加沉淀析出型元素Cu提高强度，充分发挥B冶金强化作用，提高高温下晶界的强度和韧性，控制Ni、Al、B和N元素之间的配比，将铁素体耐热钢的使用温度推进到了650 ℃。G115材料化学成分见表2所列。

表2 G115材料化学成分表(质量分数%)

G115持久强度高，如图1所示是P92、Sanicro25和G115高温许用应力的比较(纵坐标是许用应力)，G115在630 ℃下的持久强度约为P92的1.6倍。

图1 P92、Sanicro25和G115高温许用应力比较

G115抗蒸汽腐蚀性能也优于P92。如图2所示是P92、T122和G115抗氧化能力的比较(纵坐标是示意氧化颗粒的增加量)，G115的含铬量与P92基本相同(9%)，从图2可以看出，600 ℃以上G115的抗氧化能力接近含铬为12%的T122材料。

图2 P92、T122和G115抗氧化能力比较

G115在630～650 ℃温度范围内具有优异的高温持久性能，其抗氧化性强，为火电机组温度提高至630 ℃奠定了材料基础。

2.3 G115管道的研制应用情况

2012年起，依托国家科技部863计划“先进超超临界火电机组关键锅炉管开发”项目，我国开展了G115 钢厚壁大口径管的研发。目前已经具备了生产外径尺寸19～1 200 mm，壁厚2～100 mm 全谱系锅炉管的能力。

2017年12月，全国锅炉压力容器标准化技术委员会召开了G115钢管技术评审会。结论为G115钢管系列温度(100～700 ℃)高温力学性能试验结果符合金属材料高温力学性能规律，650 ℃高温抗氧化性能能够达到GB/T 13303《高温抗氧化性能测试方法》规定的1级(完全抗氧化性)要求。

2017年纳入中国钢铁工业协会团体标准T/CISA 003—2017《电站用新型马氏体耐热钢08Cr9W3Co3VNbCuBN(G115)无缝钢管》，及中国材料与试验团体标准T/CSTM 00017—2017《T/CSTM 00017—2017 电站用马氏体耐热 钢 08Cr9W3Co3VNbCuBN(G115)》。 目 前T/CSTM00017标准已颁布了2021修订版，增加了对G115锻件、对焊管件和感应加热弯管的标准和要求。

2020年12月，国家市场监督管理总局特种设备安全与节能技术委员会锅炉分技术委员会组织召开了对630 ℃超超临界机组示范项目锅炉用G115钢新材料使用可行性的评审会。从材料性能、使用可行性、首次应用范围等方面开展技术研讨，最终G115通过使用可行性评审。为G115应用于锅炉、压力管道等特种设备提供技术支撑。

2.4 P92与G115比较

1)主要力学性能比较

G115与P92主要力学性能见表3和表4所列。

表3  钢材在下列温度下的许用应力

表4  钢材在下列温度下的弹性模量和线膨胀系数

2)初投资

根据2020年版《限额设计参考造价指标》，用于主蒸汽和高温再热蒸汽管道的P92钢材单位造价分别为7.22万元和7.58万元。

由于G115尚未有签订合同，市场价格不明确，据了解其价格约为P92价格的2倍左右。由于G115钢材的许用应力高，其管道的壁厚薄于P92材料。粗略估算，相同设计参数及相同内径条件下，G115钢管的费用约为P92钢管的1.36倍。

3)焊接性能定性对比

目前主要是通过提高冶金质量和降低杂质元素含量以及缩短细晶粒区的宽度避免焊接裂纹，提高9%～12%马氏体耐热钢焊接接头的持久性。P92/G115均为9%～12%马氏体耐热钢。

P92应用成熟广泛，焊接工艺比较成熟可靠，焊接性能好。

G115的可焊性评定工作是采用Gr92焊材、182镍基焊材、Chromet焊材焊接，按照相关规范进行检验和试验，焊接试验结论是对于小口径的G115可焊性良好。对于大口径厚壁管，2019年6月，在进行相关试验时，焊缝热影响区出现了显微裂纹，通过针对性的冶金工艺可以解决大口径厚壁管的焊接问题，并经过试验检验。目前，我国已掌握了G115大管的焊接及焊后热处理工艺，并完成了焊接工艺评定。

工程应用中，对于G115材料的较小口径钢管和大口径钢管可采取不同的冶金和焊接工艺，一定程度上可以降低工程造价。

3 630 ℃超超临界机组高温高压管道选型研究

3.1 机组主要参数

相对于620 ℃超超临界机组，630 ℃电站机组的主蒸汽温度和高温再热蒸汽的温度均有提高。机组主要技术参数见表5所列。

表5 机组主要技术参数表

3.2 主蒸汽管道选材分析

对于机组参数35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃，锅炉过热器出口蒸汽额定工作温度为620 ℃，考虑5 ℃的温度允偏值，主蒸汽管道设计温度为625 ℃。设计温度从610 ℃提升到625 ℃，A335P92材料的许用应力将从66.7 MPa衰减至54 MPa；同时过热器出口蒸汽额定压力从33.6 MPa提升到了36.75 MPa，依据《电厂动力管道设计规范》，630 ℃机组的主蒸汽管道设计压力约为38.49 MPa。若630 ℃机组主蒸汽管道仍然采用A335P92材料，则管道壁厚将会大大增加。

主蒸汽系统按采用双管制配置，单根管道介质流量为1/2的锅炉最大连续出力(boiler maximum continuous rate，BMCR)流量，主蒸汽管道设计压力约为38.49 MPa，考虑采用A335P92材料，按照《发电厂汽水管道应力计算技术规程》中管道外径与内径之比小于等于1.7的薄壁管的壁厚计算方法，得到主汽管道的规格为ID330×156，但管道外径与内径之比Do/Di已超过1.7，薄壁管道计算方法已不适用，根据《发电厂汽水管道应力计算技术规程》条文说明中摘录的欧洲标准EN13480中Do/Di>1.7的管道壁厚计算公式，计算得到的主汽管道规格为ID330×240，壁厚和管道管道重量大幅增加，将导致管道布置和应力计算难度增大，管道的加工及支吊架购置费、厂房建筑费用、管道安装费用大幅上升，工程实际应用不具备可行性。因此，对于主蒸汽参数选用35 MPa/615 ℃的大容量机组，主蒸汽管道应采用在设计温度下具有更高许用应力的材料。

3.3 高温再热蒸汽管道选材分析

对于630 ℃的一、二次高温再热蒸汽管道，在锅炉再热器出口蒸汽额定工作温度632 ℃的基础上考虑5 ℃的温度允偏值，管道设计温度达到637 ℃。在此温度下，根据欧盟标准EN10216-2中数据计算得到P92材料(欧盟标准中材料牌号为X10CrWMoVNb9-2)许用应力为45.31 MPa，相较于620 ℃二次再热机组，其许用应力降低，再叠加压力提升的影响，若采用A335P92材料，630 ℃机组相比较620 ℃机组，一次和二次高温再热蒸汽管道壁厚将会更厚。

对于630 ℃二次再热机组，高温再热蒸汽管道设计温度达到637 ℃，在此温度下，A335P92材料的许用应力和抗蒸汽氧化能力将大大降低，因此A335P92材料已无法满足机组参数要求，需要采用具有更高强度和更高抗氧化能力的管道材料。

3.4 主蒸汽和高温再热管道新材料的选用

目前，在630～650 ℃温度区间，国产G115马氏体耐热钢是一种合适的材料。

系统按主蒸汽管道、一次和二次高温再热蒸汽管道采用“双管”制，根据管道的设计参数及1 350 MW机组的主蒸汽和高温再热蒸汽的流量，核算主蒸汽和高温再热蒸汽管道的规格见表6所列。

表6 主蒸汽和高温再热管道规格对比表

由表6看出，相较于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减小明显，由此引起的管道重量也大幅下降。相较于P92，采用G115材料能大幅减少主蒸汽和再热蒸汽管道总用量。

参考同类型机组管道长度，主蒸汽、一次和二次高温再热管道采用G115和P92材料的投资费用见表7所列。

表7 主蒸汽和高温再热管道投资对比表

G115材料的应用解决了蒸汽参数提高至630℃主蒸汽和高温再热蒸汽管道选材的问题，减少了主蒸汽和再热蒸汽管道壁厚，降低了管道支吊架、主厂房钢结构的初投资及管道安装等费用。可以减少火电机组高温管材的投资费用，对于35MPa/615℃/630℃/630℃机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道采用G115材料管材更为合理。

3.4 630 ℃电站机组高温管道选择建议

对于35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道材料的选择有以下建议：

1)主蒸汽管道虽然设计温度低于630 ℃，但设计压力很高，采用P92材料，管道重量增加72%以上，工程实际应用基本不具备可行性。故主蒸汽管道推荐采用G115材料；

2)机组的再热进汽温度为630 ℃的高温再热管道采用G115材料；

3)G115相对P92可以大大减小管道的壁厚和重量，降低施工难度和工程初投资。随着G115材料工程化应用的推进，将广泛应用在600～630 ℃的火电机组上。

4)目前G115材料的各项商用工作已基本完成，可以实现批量生产，但尚未有工程实际投产应用案例，建议跟踪示范电站项目和G115材料的应用进展情况。

4 结语

我国研发的具有自主知识产权的650 ℃先进马氏体耐热钢G115，可以应用于630 ℃超超临界二次再热机组锅炉过热器集箱、再热器集箱、主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道的制作，并以此带动我国材料工业的发展。

鉴于G115材料优异的高温持久性能和较高的抗蒸汽腐蚀性能，理论上可以代替目前600～620 ℃超超临界机组使用的P92，可以大大减小管道的壁厚，降低设计及施工的难度和工程的初投资。

随着G115材料工程化应用的推进和量产化，可以广泛应用在600～630℃的火电机组上，并提升火电机组的参数到630℃的时代。