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P91鋼、鋼管介紹

作者:河北宏程管業有限公司 瀏覽: 發表時間:2020-04-11 10:39:23

P91鋼

目前新建的亞臨界機組中,主蒸汽管道及再熱蒸汽管道熱段的材料已用P91鋼代替P22鋼。為此,從化學元素、室溫力學性能、許用應力及蠕變強度、線膨脹系數和導熱率、焊接性能方面分析比較P91鋼和P22鋼,說明P91鋼更具優越性。***通過在工程上的實際應用,進一步說明采用P91鋼能節省管材,方便設計、安裝,經濟效益非常顯著。

   產生的介紹

編輯

高溫、高壓管道材料是火力發電廠最重要的用材之一,它不僅對電廠的安全運行起著重要的作用,而且也影響電廠的建設投資。過去國內的600 MW機組工程,主蒸汽管道及再熱蒸汽管道熱段的管材均選用A335P22 管材。A335P22 鋼的特點是工藝性能良好,對熱處理的加熱溫度不太敏感,焊接性能也好,具有良好的塑性,***的缺點是強度較低,尤其是高溫持久強度比 12Cr1MoV 鋼低,在相同溫度、應力下使用時,其管壁厚度要比 12Cr1MoV 鋼厚約30%。汽水管道壁厚過大,不僅增加制造上的困難,而且也給設計、安裝和運行帶來不便。20世紀80年代,美國推出了 A335P91 管材,由于該管材比P22鋼材具有更好的高溫性能,它的推出馬上得到世界各國的關注。在壓力、溫度、內徑相同的情況下,主蒸汽管道及再熱熱段管道采用P91鋼代替P22鋼,壁厚可減少一半左右,管道管件如直角三通的用量可降低約65%。

鋼的特性

編輯

在以往的工程中,超高壓125 MW及200 MW機組的主蒸汽管道選用 10 CrMo910 鋼;20世紀70年代末到80年代,引進了亞臨界300 MW及600 MW機組,其主蒸汽管道選用 A335P22 鋼,這兩種鋼材性能相當,它們都屬于珠光體耐熱鋼,***工作溫度為580~590 ℃,溫度再高時只能選用奧氏體耐熱鋼,奧氏體鋼***工作溫度達700 ℃,但這種鋼的熱膨脹性較高,對應力腐蝕敏感,異種鋼接頭壽命短,不適合用于高溫、高壓汽水管道。

P91鋼是為了填補珠光體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼之間600~650 ℃溫度區域使用的新汽水管道用鋼,屬于馬氏體耐熱鋼, 其***使用溫度為650 ℃,實際上在原9Cr-1Mo鋼基礎上加進V,Nb,N等強化元素,形成一種變質新鋼種。

P91和P22鋼元素的質量分數

P91,P22 鋼主要元素的質量分數見表1。鋼中元素S是硫化物夾雜的主要來源,易產生赤熱脆性;元素P則主要影響回火脆性、熱脆性,因此,鋼中S和P的質量分數要低;V,Nb 及N屬于強化元素,可提高鋼材的強度;Cr,Si 等元素可使金屬在高溫運行時生成的氧化膜致密而牢固,提高鋼材的抗氧化性。從表1可以看出,P91 鋼的有害元素的質量分數較低,抗氧化性較高,又增加了強化元素,是一種優于P22鋼的高溫、高壓管材。(見表1)

室溫力學性能

P91, P92鋼的室溫力學性能見表2所示。(見表2)


從表2可以看出,P91鋼的室溫屈服極限是P22鋼的2倍,抗拉強度比P22鋼高41%。

許用應力及蠕變強度

P91, P22鋼的許用應力及蠕變強度見表3所示。(見表3)
從表3可以看出,P91 鋼在650 ℃以下時,所有溫度的許用應力均比 P22 鋼高。在管道設計中,許用應力的大小直接影響到管壁厚度的選擇,正是因為以 P91 鋼代替 P22 鋼作主蒸汽管道的管材,其壁厚幾乎可減少一半,從而使采用P91鋼的主蒸汽管道系統具有以下優點:管道系統柔度增加,減少了膨脹力;支吊架的載荷減少;端點推力和力矩降低;允許機組負荷變化較快,起動時間縮短;投資成本降低。

在火力發電廠中,為了保證主蒸汽管道的安全運行,對介質溫度為500 ℃及以上的每條主汽管道都要進行蠕變監控。影響蠕變的主要因素包括溫度、應力和鋼材本身,溫度越高,應力越大,蠕變速度也越快。根據廠家的試驗數據,在105 h及550 ℃下時,P91 鋼的蠕變強度幾乎為 P22 鋼的兩倍。

線膨脹系數和導熱率

P91, P22鋼的線膨脹系數和導熱率見表4所示。(見表4)


從表4可知,P91 鋼的線膨脹系數和導熱率與 P22 鋼較接近,這一特性可避免 P91 鋼與珠光體鋼相接時在運行中產生蠕變疲勞裂紋,這種裂紋正是影響奧氏體耐熱鋼與珠光體耐熱鋼相接時異種鋼接頭壽命短的主要原因。由于 P91 鋼的線膨脹系數比 P22 鋼略低,又可降低管道的端點推力和力矩。

焊接性能

P91 鋼可按現有方法進行電弧焊接,包括可用氬弧焊接(TIG)方法進行焊接。焊條和焊劑的選擇,應當盡量使焊縫和母材的化學成分一致或接近,使焊接金屬具有與母材相同或更好的蠕變和持久強度。由于該鋼對熱裂紋不敏感,施焊前預熱到150~200 ℃時也不會出現裂紋,并可與各種鋼,如P22鋼(珠光體耐熱鋼)、X20CrMoV121(馬氏體耐熱鋼)和TP304H(奧氏體耐熱鋼)等鋼焊接,以下介紹P91鋼的焊接情況:

a) P91 鋼和 P91 鋼焊接時,可選用9Cr-1Mo(T9)或改進的9Cr-1Mo(T91)焊條,壁厚大于25 mm 的管道采用后者,預熱溫度為200 ℃,焊接后緩慢冷卻到室溫,然后在730 ℃以上溫度回火;

b) P91 鋼與 10CrMo910 焊接時,焊接材料要與 10CrMo910 相匹配, 730 ℃時應力釋放后應在空氣中冷卻2 h,由于這兩種材料焊接部位有一個脫碳區,若采用 10CrMo910 焊條焊接,要保證焊接金屬的含碳量夠高,以滿足持久強度的要求;

c) P91 鋼與 P22 鋼焊接時,焊條可選用 2.25Cr-1Mo 焊條,預熱溫度為200 ℃,焊接后緩慢冷卻到室溫,然后在700~725 ℃下回火,也可先在P91鋼側堆焊 5Cr1-1Mo 焊條,然后再與 P22 鋼焊接;

d) P91 鋼與 X20CrMoV121 焊接時,要用兩者相匹配的焊接材料,如 P91 鋼焊條,預熱溫度為250 ℃,焊后緩慢冷卻到80~100 ℃,在750 ℃以上溫度回火;

e) P91 鋼與 TP304H 焊接時,用 Inconel 182Ni 基合金焊條,預熱溫度為200 ℃,焊后冷卻到室溫,在700~730 ℃回火。

以上焊后的熱處理溫度取決管子壁厚,小直徑管道處理0.5 h,大直徑管道以壁厚每25 mm處理1 h。由于 P91 蠕變強度高,在同樣條件下,管道壁厚比采用 P22 鋼要薄,焊縫填充金屬量相對要少,但 P91 鋼對焊縫 IV 型裂紋敏感,因此,要盡量減少 P91 鋼材中的系統應力,對壁厚大于12.5 mm的管道,要求在焊后冷到100 ℃以上即回火。

表1

表2


表3


表4

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