P91鋼

p91鋼是火力發電廠耐高壓、高溫管道的材料之一。

關鍵字：P91鋼；P22鋼；特性；套用；經濟效益

P91鋼

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，最大的缺點是強度較低，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，不僅增加製造上的困難，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，由於該管材比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採用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%。
1 P91鋼的特性
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，它們都屬於珠光體耐熱鋼，最高工作溫度為580～590 ℃，溫度再高時只能選用奧氏體耐熱鋼，奧氏體鋼最高工作溫度達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，不適合用於高溫、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，屬於馬氏體耐熱鋼, 其最高使用溫度為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。
1.1 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屬於強化元素，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緻密而牢固，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，是一種優於P22鋼的高溫、高壓管材。（見表1）

表1

1.2 室溫力學性能
P91, P92鋼的室溫力學性能見表2所示。（見表2）

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%。
1.3 許用應力及蠕變強度
P91, P92鋼的許用應力及蠕變強度見表3所示。（見表3）

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，從而使採用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。
1.4 線膨脹係數和導熱率
P91, P22鋼的線膨脹係數和導熱率見表4所示。（見表4）

從表4可知，P91 鋼的線膨脹係數和導熱率與 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。由於 P91 鋼的線膨脹係數比 P22 鋼略低，又可降低管道的端點推力和力矩。
1.5 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，應當儘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。由於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，並可與各種鋼，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，壁厚大於25 mm 的管道採用後者，預熱溫度為200 ℃，焊接後緩慢冷卻到室溫，然後在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 ℃時應力釋放後應在空氣中冷卻2 h，由於這兩種材料焊接部位有一個脫碳區，若採用 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 ℃，焊接後緩慢冷卻到室溫，然後在700～725 ℃下回火，也可先在P91鋼側堆焊 5Cr1-1Mo 焊條,然後再與 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 ℃，焊後緩慢冷卻到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 ℃，焊後冷卻到室溫，在700～730 ℃回火。
以上焊後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。由於 P91 蠕變強度高，在同樣條件下，管道壁厚比採用 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，要儘量減少 P91 鋼材中的系統應力，對壁厚大於12.5 mm的管道，要求在焊後冷到100 ℃以上即回火。
2 P91 鋼在工程中的套用
目前， P91 鋼材已用於丹東電廠（2×350 MW）、鴨河口電廠（2×350 MW）、鹽城電廠（6×500 MW）、聊城電廠（2×660 MW）、洛磺電廠（2×350 MW）、珠海電廠（2×700 MW）、鄒縣電廠（2×600 MW）、梅洲灣電廠（2×300 MW）、外高橋電廠（2×900MW）等工程中。河北電力勘測設計研究院參與設計的邯峰電廠（2×660 MW）主汽管道也採用了 P91 鋼材，該單位曾對管道採用 P91 鋼和 P22 鋼材的不同情況作了比較，得出的結論是：由於 P91 鋼材管道壁厚減薄，比採用 P22 鋼材減少用材量40%以上，從而節省材料費、安裝費30%以上，如表5所示。由於管道自重減輕，支吊架荷重也相應減小，支吊方便，設計、安裝也方便，不但節省支吊架造價，也節省土建費用，經濟效益很可觀。（見表5）

表5

3 結束語
從以上分析可知，與以往採用 P22 鋼相比，P91 鋼具有許多優點：化學成分更好，機械性能、高溫性能優越，加工性能、焊接性能好。由於 P91 鋼的這些優點，在亞臨界機組中，主蒸汽管道採用 P91 鋼代替 P22 鋼，可節省工程投資，也給設計、安裝帶來方便。新建的大容量機組，需滿足21世紀示範電廠的設計思想——技術先進又要控制工程造價。因此，新建的大容量機組大膽採用P91管材，是符合21世紀示範電廠的設計思想。