王建忠，吳昕達(dá)，李志浩，石天磊，丁曉霞，吳 剛

（浙江寧海抽水蓄能有限公司，浙江 寧波 315621）

高強(qiáng)度鋼一般指屈服強(qiáng)度小于1 180 MPa，大于460 MPa的特種鋼材，一般用作大批量高壓力管道及容器的建設(shè)。當(dāng)前電廠管道體系中，需要使用大批量的可以承擔(dān)超臨界、亞臨界狀態(tài)蒸汽壓力的管路，這類管路壓力高、流量大、閥門開關(guān)過程中氣錘效應(yīng)顯著，需要考慮使用高強(qiáng)度鋼材料實(shí)現(xiàn)管道功能。其中，亞臨界蒸汽壓力為16.77 MPa，溫度540℃，超臨界蒸汽壓力22.11 MPa，溫度550℃，超臨界蒸汽壓力31.00 MPa，溫度600℃。

如果采用普通鋼材，當(dāng)鋼材溫度超過500℃時(shí)，分子結(jié)構(gòu)開始逐漸活躍，宏觀結(jié)構(gòu)蠕性特性增加，黑體輻射逐漸進(jìn)入到可見光波段，即出現(xiàn)“燒紅”現(xiàn)象。該研究使用仿真試驗(yàn)方法，研究常規(guī)運(yùn)行條件下高強(qiáng)鋼材料在電廠高壓高溫管路中的表現(xiàn)，進(jìn)而探討氣錘、水錘作用對(duì)高強(qiáng)鋼材料的可靠性影響，重點(diǎn)探討不同屈服強(qiáng)度的高強(qiáng)度鋼在高溫蠕變條件下的抗高壓、抗高溫特性，探討高強(qiáng)鋼材料在電站壓力鋼管中的適用性。

1 仿真實(shí)驗(yàn)過程實(shí)錄

火力發(fā)電站管系中，不同位置的管道直徑、流量、溫度、壓力等參數(shù)均有差異，該研究重點(diǎn)針對(duì)鍋爐承壓容器到蒸汽輪機(jī)主控閘閥之間的高溫高壓管道，這部分管道的壓力、溫度要求在火力發(fā)電站中最為苛刻，常規(guī)條件下也作為火力發(fā)電站的標(biāo)稱壓力和標(biāo)稱溫度進(jìn)行控制。所以，該研究針對(duì)該段管道構(gòu)建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

在Autodesk CAE環(huán)境下加載流體力學(xué)控件、熱力學(xué)控件和Simuwork仿真環(huán)境控件，在浮點(diǎn)型計(jì)算主機(jī)上構(gòu)建仿真環(huán)境，熱源設(shè)定540~600℃，壓力源設(shè)定為16.77~31.00 MPa，選擇鋼材料熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、分子力學(xué)特性根據(jù)AHSS-DP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)材料特性表中查詢配置。

實(shí)驗(yàn)過程分為以下兩步：

（1）檢測(cè)材料常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下，即恒定溫度、壓力、流量條件下鋼材料的形變特征。檢測(cè)材料常規(guī)運(yùn)行條件下的疲勞、損傷情況；

（2）檢測(cè)蒸汽壓力條件下的抗氣錘效應(yīng)特征，閥門開關(guān)時(shí)間設(shè)定為6 s，閥門形式為電動(dòng)螺桿式閘閥，連續(xù)開合閥門一定次數(shù)后，觀察材料常規(guī)運(yùn)行條件下的疲勞、損傷情況。

數(shù)據(jù)比較分析過程使用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件輔助進(jìn)行，其中：回歸分析使用校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?dāng)＞0.70時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)有可置信的關(guān)聯(lián)度，當(dāng)＞0.99時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)有顯著的關(guān)聯(lián)度，且值越大，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度越高；差異分析使用雙變量校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?dāng)＜10.000時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，且值越小，認(rèn)為數(shù)據(jù)差異性越大，且同時(shí)考察雙變量校驗(yàn)的值，當(dāng)＜0.05時(shí)，認(rèn)為比較結(jié)果在可置信空間內(nèi)，當(dāng)＜0.01時(shí)，認(rèn)為比較結(jié)果有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且值越小，認(rèn)為數(shù)據(jù)置信度越高。

實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，電廠內(nèi)相關(guān)管道一般采用中高強(qiáng)度鋼材料DP-460，該研究將該材料管道實(shí)際運(yùn)行參數(shù)提取并在仿真環(huán)境中構(gòu)建參照組，以研究高強(qiáng)鋼材料AHSS-DP-550的參數(shù)優(yōu)勢(shì)。

2 常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)高強(qiáng)鋼材料的表現(xiàn)

恒定溫度、壓力、流量條件下，影響管壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素包括管道內(nèi)徑、管道壁厚、管道熱處理方式、管道鍛壓方式等諸多其他因素。實(shí)際仿真分析過程中，發(fā)現(xiàn)：管道內(nèi)流量增加，動(dòng)壓增加而靜壓減小，管道常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下的應(yīng)力可靠性增加，但此過程對(duì)管道的影響較為緩和，所以不展開論述；管道熱處理過程，比如鍛壓過程、回火過程、焊接過程等，均對(duì)管道可靠性帶來影響，但如果此工藝過程不存在瑕疵，也不會(huì)給管道可靠性帶來顯著影響，所以此處也不展開論述；常規(guī)壓力、溫度條件下的管壁厚度對(duì)管道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響最為劇烈，如圖1所示。

圖1 管壁厚度與屈服壓力的回歸分析結(jié)果Fig.1 Regression analysis results of pipe wall thickness and yield pressure

由圖1可知，考察AHSS-DP-550鋼在熱鍛持續(xù)成型管道技術(shù)條件下加工管材的持續(xù)工況屈服壓力，考察管壁厚度為25~45 mm，考察管道內(nèi)徑為600 mm，發(fā)現(xiàn)隨著溫度上升，管道屈服壓力隨之下降，特別在600℃工況下，當(dāng)管壁厚度小于34 mm時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在工況壓力31.00 MPa下屈服。上述回歸曲線，值分別為0.993、0.990、0.854，均存在＞0.70，具有可置信的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)。

該管道在電站內(nèi)部署的過程中，不能只考察管道在恒定溫度、壓力、流量條件下的運(yùn)行狀態(tài)，還應(yīng)考察閥門開關(guān)過程中的氣錘效應(yīng)，所以必須保留足夠的管道厚度余量。對(duì)比分析某電站實(shí)際應(yīng)用的DP-460中強(qiáng)度鋼材料，輸入相關(guān)查表參數(shù)后，對(duì)比其不同溫度、壓力條件下屈服時(shí)的最小厚度，如表1所示。

表1 強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋼的工況條件下最小厚度比較表Tab.1 Comparison of minimum thickness between strength steel and high strength steel under working conditions mm

由表1可知，高強(qiáng)度鋼（AHSS-DP-550）與中強(qiáng)度鋼（DP-460）相比，考慮到內(nèi)徑600 mm的管道結(jié)構(gòu)，考察不同的管道管壁厚度，以圓環(huán)面積計(jì)算，在不同溫度、壓力條件下，分別節(jié)約鋼材33.30%、33.56%、37.01%。上 述 比 較 結(jié) 果＜10.000，＜0.01，具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

3 氣錘效應(yīng)下高強(qiáng)鋼材料的表現(xiàn)

流體在管道內(nèi)的流量被閥門等設(shè)施截?cái)鄷r(shí)，因?yàn)榱黧w慣性力的反作用力，會(huì)給管道帶來瞬時(shí)額外壓力應(yīng)力，可能對(duì)管道的焊縫、接頭、管件等帶來沖擊破壞作用。因?yàn)橐后w的可壓縮性顯著低于氣體，所以液體帶來的水錘效應(yīng)會(huì)顯著高于氣體帶來的氣錘效應(yīng)。電站管道內(nèi)運(yùn)行的高溫高壓氣體，可壓縮性遠(yuǎn)低于常壓氣體，其氣錘效應(yīng)接近水錘效應(yīng)的影響效果，所以此處應(yīng)考察不同工況下的氣錘效應(yīng)。即相關(guān)文獻(xiàn)中指出，在水蒸氣的亞臨界狀態(tài)下，以及溫度、壓力更高的超臨界狀態(tài)下和超超臨界狀態(tài)下，其氣體可壓縮性接近于零，氣錘效應(yīng)對(duì)管道可靠性的影響接近水錘效應(yīng)。

如前文所述，該研究考察的電站高溫高壓管道，采用閘閥控制，從全閉到全開及全開到全閉的動(dòng)作時(shí)間均設(shè)定為6 s，閘閥節(jié)流曲線按照?qǐng)A形斷面割線面積法計(jì)算。因?yàn)闅忮N條件的仿真過程也較為復(fù)雜，此處不展開論述全部仿真結(jié)果，考慮到氣錘條件影響后，修正的管壁可靠厚度如表2所示。

表2 中強(qiáng)度鋼和高強(qiáng)度鋼的氣錘條件下最小厚度比較表Tab.2 Comparison of minimum thickness between medium strength steel and high strength steel under air hammer condition mm

表2中，工況厚度沿承前文表1中計(jì)算獲得恒定溫度、壓力、流量條件下的最小管壁厚度，最小冗余取值為考慮到氣錘效應(yīng)后的最小管壁厚度，考察不同的管道管壁厚度，以圓環(huán)面積計(jì)算，不同溫度、壓力條件下分別節(jié)約鋼材25.39%、29.26%、42.41%。上述比較結(jié)果＜10.000，＜0.01，具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

對(duì)比恒定工況條件下的最小管壁厚度和考慮氣錘條件下最小管壁厚度，特別比較實(shí)用高強(qiáng)度鋼后相比較中強(qiáng)度鋼的鋼材料節(jié)約量，會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)用高強(qiáng)度鋼的3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：使用高強(qiáng)度鋼后，鋼材料總消耗量大幅度減少，因?yàn)楦邚?qiáng)度鋼的市場(chǎng)價(jià)格較中強(qiáng)度鋼僅高出15%左右，實(shí)際鋼材節(jié)約量遠(yuǎn)超過該單價(jià)提升量，所以使用高強(qiáng)度鋼可以節(jié)約建設(shè)過程的材料費(fèi)支出。因?yàn)槭褂酶邚?qiáng)度鋼后節(jié)約了大量鋼材，關(guān)聯(lián)的鋼材冶煉等過程的電能消耗、碳排放等環(huán)境保護(hù)要素也得到提升。隨著溫度壓力的提升，使用高強(qiáng)度鋼的經(jīng)濟(jì)性會(huì)顯著提升，特別是考慮氣錘條件后，在高壓力、高溫度條件下的材料節(jié)約量更為顯著。

4 結(jié)語

該研究停留在仿真分析過程中，仿真目標(biāo)為鍋爐承壓管路到汽輪機(jī)主控閘閥之間的高溫高壓管路，該部分管路為亞臨界、超臨界火力發(fā)電站中壓力、溫度條件最苛刻的管路。經(jīng)過仿真分析，發(fā)現(xiàn)使用高強(qiáng)度鋼后，管道內(nèi)徑保持不變的條件下，管道管壁厚度可以大幅度降低，從而節(jié)約最高可達(dá)42.41%的鋼材用量，一方面節(jié)約了建設(shè)材料費(fèi)成本，另一方面通過鋼材加工關(guān)聯(lián)工藝實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的綠色節(jié)能。