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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,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,不適合用于高溫、高壓汽水管道。
P91無縫鋼管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無縫鋼管和P22無縫鋼管元素的質量分數
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。
1.2 室溫力學性能
P91無縫鋼管, P92無縫鋼管的室溫力學性能:P91無縫鋼管的室溫屈服極限是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:P91無縫鋼管在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無縫鋼管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無縫鋼管的蠕變強度幾乎為 P22無縫鋼管的兩倍。
1.4 線膨脹系數和導熱率
P91, P22無縫鋼管的線膨脹系數和導熱率 ,P91無縫鋼管的線膨脹系數和導熱率與 P22無縫鋼管較接近,這一特性可避免 P91無縫鋼管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無縫鋼管的線膨脹系數比 P22無縫鋼管略低,又可降低管道的端點推力和力矩。
1.5 焊接性能