肖國(guó)華，王學(xué)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(fā)電有限公司，陜西省榆林市，710075)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)能源的需求不斷增加，同時(shí)，環(huán)保要求也不斷提高。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)決定了以燃煤發(fā)電為主的火力發(fā)電格局在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變，因此發(fā)展大容量、高參數(shù)機(jī)組，特別是超超臨界機(jī)組將是一個(gè)必然趨勢(shì)，可提高發(fā)電效率、節(jié)約一次能源、改善環(huán)境、降低發(fā)電成本。截至2009年底，我國(guó)運(yùn)行中的1 000 MW超超臨界機(jī)組已有21臺(tái)，在建的1 000 MW超超臨界機(jī)組12臺(tái)，我國(guó)已成為世界上擁有超超臨界機(jī)組最多的國(guó)家［1］。

火電機(jī)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(jià)占項(xiàng)目總投資的5%～8%。四大管道長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，價(jià)格、工期進(jìn)度等因素往往受到制約。2005年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)開(kāi)始了四大管道的國(guó)產(chǎn)化工作，國(guó)產(chǎn)P91鋼最初是供給鍋爐廠做鍋爐管道用，之后逐漸開(kāi)始用于主蒸汽管道和高溫聯(lián)箱。

1 四大管道國(guó)內(nèi)生產(chǎn)情況

1.1 P91鋼管

P91鋼是用V、Nb元素進(jìn)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(qiáng)度、優(yōu)良的抗氧化性能和良好的工藝性能，在大型超臨界火電機(jī)組上得到廣泛應(yīng)用，并有20多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是比較成熟的耐熱鋼種。為滿足國(guó)內(nèi)建設(shè)超超臨界機(jī)組的需要，國(guó)家在“八五”期間就開(kāi)始推進(jìn)P91鋼的國(guó)產(chǎn)化工作，攀鋼集團(tuán)成都無(wú)縫鋼管廠(以下簡(jiǎn)稱攀成鋼)、上海寶鋼鋼管公司均生產(chǎn)過(guò)P91鋼管。目前，國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)P91鋼管的企業(yè)主要有6家，分別是北方重工集團(tuán)有限公司、武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司、攀成鋼、揚(yáng)州誠(chéng)德鋼管有限公司、衡陽(yáng)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(gòu)鋼坯來(lái)源和生產(chǎn)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(chǎn)流程。生產(chǎn)厚壁P91無(wú)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(chǎn)的36 000 t垂直擠壓機(jī)，是目前世界上最大的垂直擠壓機(jī)，超越了美國(guó)威曼－高登的35 000 t垂直擠壓機(jī)，現(xiàn)在北方重工已可以用垂直擠壓工藝生產(chǎn)厚壁無(wú)縫鋼管。采用擠壓工藝生產(chǎn)的無(wú)縫鋼管在擠壓過(guò)程中處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，工件組織致密;適合加工難變形金屬材料，可生產(chǎn)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?jīng)觥I(yíng)口、濟(jì)寧、白楊河等電廠供貨。

表1 國(guó)內(nèi)主要P91鋼管生產(chǎn)企業(yè)Tab.1 Main manufacturers of P91 steel pipes in China

武漢重工的鋼管生產(chǎn)線于1995年底建成，并正式開(kāi)始規(guī)模生產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(guó)VM公司工藝相近。武漢重工可以生產(chǎn)口徑較大、壁厚較薄的P91無(wú)縫鋼管，管徑最大為ID 914 mm×38 mm。

攀成鋼是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展P91國(guó)產(chǎn)化工作的企業(yè)，采用皮爾格周期式軋制工藝生產(chǎn)鋼管，其產(chǎn)品已向華能營(yíng)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(jī)組四大管道國(guó)產(chǎn)化示范工程供貨。揚(yáng)州誠(chéng)德也完成了P92鋼管的試制工作，性能評(píng)定試驗(yàn)正在進(jìn)行中。

1.3 WB36鋼管

WB36鋼是在碳錳鋼的基礎(chǔ)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(jī)組主給水管道的首選材料。石洞口二期工程600 MW超臨界機(jī)組首次引進(jìn)了WB36管道，用作水冷壁集箱、對(duì)流管等部件，使用溫度為465℃，最高壓力為31.2 MPa［2］。上述國(guó)內(nèi)鋼管生產(chǎn)企業(yè)都可生產(chǎn)WB36鋼管，其中攀成鋼于1993年開(kāi)始研制WB36無(wú)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(chǎn)品已應(yīng)用于華能平?jīng)?、營(yíng)口、濟(jì)寧、白楊河電廠;武漢重工的產(chǎn)品已應(yīng)用于華能平?jīng)鲭姀S。

2 國(guó)產(chǎn)管件質(zhì)量概況

四大管道國(guó)產(chǎn)化初期出現(xiàn)了較多的質(zhì)量問(wèn)題，主要表現(xiàn)為化學(xué)成分不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織不合格，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度偏低等。經(jīng)過(guò)不斷地探索和工藝調(diào)整，目前國(guó)產(chǎn)四大管道已基本上滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，在某些指標(biāo)上甚至優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。

表2為國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)P91管道的化學(xué)成分比較。P91鋼C含量低而N含量高，同時(shí)Al含量也有限制，因此冶煉時(shí)的脫氧受到限制，導(dǎo)致氣體含量增加，冶煉問(wèn)題較多。過(guò)高的N含量會(huì)形成氮化物夾雜，Al、Ti在鋼中會(huì)和N形成AlN、TiN硬質(zhì)相，對(duì)材料塑性不利;S元素會(huì)弱化晶界并導(dǎo)致蠕變脆化，嚴(yán)重削弱P91鋼的高溫持久強(qiáng)度和蠕變性能，因此冶煉過(guò)程中應(yīng)注意N元素的合金化和雜質(zhì)元素S、P的去除，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制脫氧Al量，嚴(yán)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(xué)成分控制上，基本都能滿足ASME規(guī)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(guó)產(chǎn)P91鋼管化學(xué)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(xì)化，并通過(guò)Cu析出物進(jìn)行沉淀強(qiáng)化，為避免在熱加工過(guò)程中出現(xiàn)脆性，需將Cu/Ni比大致控制在1/2［7］。表3給出了幾家國(guó)產(chǎn)WB36鋼管的化學(xué)成分比較，各家企業(yè)生產(chǎn)的WB36鋼管化學(xué)成分基本滿足EN10216－2技術(shù)條件要求。攀成鋼將Cr含量控制得較低(﹤0.1%)，其余幾家企業(yè)包括德國(guó)的VM 公司，Cr含量一般在0.2% ～0.3%，而EN標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)Cr含量上限進(jìn)行了規(guī)定，并未規(guī)定下限。

對(duì)國(guó)產(chǎn)鋼管進(jìn)行室溫拉伸性能和沖擊功比較，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。由表4可知，國(guó)產(chǎn)P91鋼管基本都能滿足ASME規(guī)范要求;國(guó)產(chǎn)WB36鋼管的室溫拉伸性能和沖擊功均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但普遍出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度靠近下限的情況，因此熱處理工藝仍需改進(jìn)。

?

?

P91鋼管金相組織為回火馬氏體，采取正常熱處理工藝生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)管道的金相組織均合格，但應(yīng)注意以下問(wèn)題:(1)回火過(guò)度(回火溫度過(guò)高或回火時(shí)間過(guò)長(zhǎng))導(dǎo)致形成回火索氏體，板條特征不明顯(圖1)，這種組織對(duì)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(biāo)，DL/T 438—2009《火力發(fā)電三金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》［8］規(guī)定，P91材料中δ鐵素體含量不超過(guò)5%，δ鐵素體會(huì)對(duì)材料的韌性產(chǎn)生不利影響;(3)不當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囆纬煞闯＝M織，無(wú)馬氏體組織形態(tài)。

圖1 P91鋼回火過(guò)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(duì)于鐵素體和貝氏體的相對(duì)含量有重要影響，控制不當(dāng)易出現(xiàn)鐵素體含量超標(biāo)的情況，從而導(dǎo)致 WB36鋼強(qiáng)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(duì)于厚壁管道，熱處理過(guò)程中要格外注意冷卻速度，冷卻速度過(guò)慢會(huì)形成大量的鐵素體，導(dǎo)致強(qiáng)度和硬度偏低。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)壁厚不同的管道應(yīng)采取不同的冷卻方式(空冷、風(fēng)冷或霧冷)。圖2是國(guó)內(nèi)外WB36管道的典型金相照片。可見(jiàn)，與國(guó)外管相比，國(guó)產(chǎn)管金相組織中鐵素體含量偏多，組織均勻性也稍差。

圖2 國(guó)內(nèi)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(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)管的化學(xué)成分、室溫力學(xué)性能、金相組織等基本符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但部分國(guó)產(chǎn)管的高溫蠕變持久性能還存在一些問(wèn)題，比如某廠生產(chǎn)的P91鋼管600℃下10萬(wàn)h的持久強(qiáng)度外推值為89.4 MPa，低于規(guī)范的推薦值(93 MPa)。國(guó)產(chǎn)管還存在金相組織異常、晶粒不均勻、室溫力學(xué)性能不穩(wěn)定、管材表面缺陷等問(wèn)題。

國(guó)產(chǎn)管在批量生產(chǎn)階段經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，這與生產(chǎn)過(guò)程中的工藝執(zhí)行和質(zhì)量控制有一定的關(guān)系。為保證國(guó)產(chǎn)管道的質(zhì)量，一方面，需要生產(chǎn)廠家加強(qiáng)質(zhì)量管理;另一方面，可委托獨(dú)立機(jī)構(gòu)進(jìn)行管道生產(chǎn)階段的監(jiān)造。

3 四大管道國(guó)產(chǎn)化經(jīng)濟(jì)效益分析

四大管道國(guó)產(chǎn)化帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是明顯的，經(jīng)過(guò)與同期威曼高登、曼內(nèi)斯曼、日本住友等國(guó)外產(chǎn)品報(bào)價(jià)綜合比較，首批應(yīng)用國(guó)產(chǎn)管材的8臺(tái)機(jī)組(分別應(yīng)用于華能營(yíng)口、平?jīng)?、?jì)寧、白楊河電廠)，可降低成本8 000～10 000萬(wàn)元。

以華能平?jīng)鲭姀S2×600 MW機(jī)組(國(guó)產(chǎn)管道)和中國(guó)水電集團(tuán)崇信電廠2×600 MW機(jī)組(進(jìn)口管道)為例，同參數(shù)(25.4 MPa/576℃)同規(guī)格的主蒸汽主管ID431.8 mm×77 mm，美國(guó)威曼高登比北方重工價(jià)格高出29.16%;同參數(shù)主蒸汽支管ID304.8 mm×56 mm，美國(guó)威曼高登比北方重工價(jià)格高出57.73%。華能平?jīng)鲭姀S主蒸汽管道總長(zhǎng)(主管235 m，支管165 m)比中水崇信電廠(主管 228 m，支管166 m)長(zhǎng)6 m(主管長(zhǎng)7 m，支管短1 m)，平?jīng)鲭姀S主蒸汽管道造價(jià)仍比崇信電廠低約1千萬(wàn)元。

隨著國(guó)產(chǎn)管材的成功應(yīng)用，國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格一路走低。日本住友A335P91規(guī)格ID747 mm×45 mm鋼管，2009年4月價(jià)格為109 500元/t，至2009年11月降為47 000元/t，降幅超過(guò)57%。德國(guó)V＆M WB36鋼管，2008年9月規(guī)格OD660 mm×70 mm價(jià)格為85 000元/t，2009年7月規(guī)格OD762 mm×80 mm價(jià)格為39 000元/t，可以看出在10個(gè)月中德國(guó) V＆M WB36鋼管降幅達(dá)到54%。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)目前已有多家企業(yè)具備了四大管道的生產(chǎn)能力，產(chǎn)品質(zhì)量已能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，國(guó)產(chǎn)四大管道已在國(guó)內(nèi)多家電廠投入使用，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。推動(dòng)四大管道和電站金屬材料的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)于有效降低機(jī)組造價(jià)成本、振興民族制造業(yè)都具有重要意義。

［1］楊富.超超臨界機(jī)組管道及管件國(guó)產(chǎn)化的現(xiàn)狀和展望［C］//超超臨界機(jī)組管道管件國(guó)產(chǎn)化會(huì)議論文集，天津:中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)，2010:1-6.

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

［3］華能平?jīng)鲭姀S二期2×600 MW機(jī)組四大管道監(jiān)造技術(shù)報(bào)告［R］.西安:西安熱工研究院有限公司，2010.

［4］華能營(yíng)口熱電廠2×330 MW新建機(jī)組四大管道監(jiān)造技術(shù)報(bào)告［R］.西安:西安熱工研究院有限公司，2010.

［5］華能濟(jì)寧電廠2×350 MW燃煤機(jī)組四大管道監(jiān)造技術(shù)報(bào)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(jī)組四大管道監(jiān)造技術(shù)報(bào)告［R］.西安:西安熱工研究院有限公司，2010.

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

［8］DL/T 438—2009火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

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