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[摘要]针对660MW超超临界二次再热机组高参数（汽轮机入口参数31MPa/600℃/620℃/620℃）的特点，确定本工程六大管道的选用材料。
[关键词]二次再热机组 管道设计
[中图分类号] TM6 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-11-201-2
1本工程建设2×660MW超超临界凝汽式二次再热燃煤机组。
锅炉容量和主要参数（暂定）：
最大连续蒸发量（B-MCR） 1932t/h
一次再热蒸汽流量（B-MCR） 1691t/h
二次再热蒸汽流量（B-MCR） 1432t/h
给水温度（B-MCR） 331.7℃
锅炉过热器出口蒸汽参数 32.55MPa（a）/605℃
汽轮机容量和主要参数：
机组的铭牌出力（TRL） 660MW
阀门全开（VWO）功率 721.3 MW
额定主汽门前压力 28.98 MPa（a）
额定主汽门前温度 600℃
额定一次再热蒸汽温度 623℃
额定二次再热蒸汽温度 623℃
超高压缸排汽参数（THA） 434.9℃/10.819MPa（a）
高压缸排汽参数（THA） 444.8℃/3.399MPa（a）
背压 5.1kPa（a）/11.8kPa（a）
辅机配置：2×50%容量汽动给水泵；2×50%容量汽动引风机。
2六大管道设计参数的确定
2.1主蒸汽管道设计参数的确定
本工程主蒸汽管道的设计压力取主汽门进口处设计压力（汽机额定进汽压力的1.05倍）的1.05倍，即31×1.05×1.05-0.1=34.078MPa（g）。主蒸汽管道设计温度取用锅炉过热器出口蒸汽额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差值，温度偏差值可取5℃，即605+5=610℃。
2.2高温再热蒸汽管道设计参数的确定
高温再热蒸汽管道系统按汽轮发电机组VWO工况时的热平衡蒸汽量设计。
故本工程一次高温再热蒸汽管道的设计压力取汽轮机VWO工况超高压缸排汽压力的1.15倍，即11.899×1.15-0.1=13.58MPa（g）；一次高温再热蒸汽管道设计温度取用锅炉一次再热器出口蒸汽额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差值5℃，即622+5=627℃。
二次高温再热蒸汽管道的设计压力取汽轮机VWO工况高压缸排汽压力的1.15倍，即3.721×1.15-0.1=4.18MPa（g）；二次高温再热蒸汽管道设计温度取用锅炉二次再热器出口蒸汽额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差值5℃，即622+5=627℃。
2.3低温再热蒸汽管道设计参数的确定
低温再热蒸汽管道系统按汽轮发电机组VWO工况时的热平衡蒸汽量设计。
一、二次低温再热蒸汽管道设计压力取汽轮机VWO工况汽轮机超高压缸排汽压力的1.15倍，设计温度按汽轮机VWO工况高排参数，等熵求取在管道设计压力下相应的温度。
故本工程一次低温再热蒸汽管道设计压力为：11.899×1.15-0.1=13.58MPa（g），设计温度为445.77℃；二次低温再热蒸汽管道设计压力为：3.721×1.15-0.1=4.18MPa（g），设计温度为443.6℃。
2.4旁路管道设计参数的确定
低压旁路后系统管道的设计参数应与汽机厂及旁路阀厂协调后确定，低压旁路后设计压力一般可取1.2～1.6 MPa（g），工作压力一般取0.6～0.8MPa（a）。设计温度一般可取200～250℃，工作温度一般取160～190℃。
本工程的旁路系统为三级串联旁路系统，且为启动旁路。低压旁路阀前管道设计参数同热段管道，阀后管道设计参数取1.6 MPa（g），210℃，运行参数取0.8 MPa（a），190℃。
2.5高压给水管道设计参数的确定
系统暂设置2× 50%容量的汽动给水泵，前置泵与主泵同轴。
系统设四台全容量、卧式、双流程高压加热器，两台外置式蒸汽冷却器，四台高加与两台外置式蒸冷的给水采用大旁路系统。
给水系统按最大运行流量即锅炉最大连续蒸发量（BMCR）工况时相对应的给水量进行设计。
高压给水管道设计温度取高压加热器后高压给水的最高工作温度。
根据主机数据，初步计算了给水泵的出口压力为：37.45MPa（a）。一般给水泵的关闭扬程不超过给水泵出口扬程的20%，故主给水泵出口至关断阀段的管道压力暂定为：44.94MPa（a）；关断阀后到省煤器进口管道暂按42MPa（g）考虑，最终参数按给水泵制造厂提供的特性曲线核算后确定。给水温度取东汽厂提供热平衡图中VWO工况高加后最高工作温度331.7℃。
3六大管道材料选择
3.1主蒸汽和高温再热蒸汽管道选材
对于31MPa /600℃/620℃/620℃这一压力和温度的大容量超超临界机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道，包括汽机旁路阀前管道的材料，将比常规超临界机组面临更高压力和更高温度的考验。首先，管道材料的高温蠕变强度必须满足由于管道热膨胀而引起的热应力的要求。一般来说，适合于作为高温蒸汽管道的材料，其在工作温度下的105小时蠕变应力值应达到90～100MPa；同时，要求管道材料的热膨胀系数比较小且导热率较大，从而能够降低管道内的热应力水平；对于以上要求，同时考虑运行可靠性和经济因素，从而使主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料的选择范围很小。 适合应用于超超临界机组主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料主要有A335 P91、EN10216-2：2002标准的X10CrwMoVNb9-2（A335 P92）、A335 P122、E911这四种材料。四种材料的化学成分见表1。
P91在国内已经得到广泛应用，是一种改良的9CrMoVNbN钢，P92、E911是在P91基础上通过添加W取代部分Mo来提高高温强度的，其中E911含W 0.9%，P92含W 1.8%，三种材料含Cr量均为9%； P122 Cr含量为12%，含W 2.0%，由于Cr含量比较高，为了避免在组织中出现δ铁素体引起材料的脆性，添加了0.3～1.70%的Cu来降低Cr当量。
3.1.1高温蠕变持久强度
P91在600℃下10万小时的持久强度为94MPa，E911为115MPa，P92和P122由于目前的试验时间还没有达到10万小时，ASME规范中现在的资料是日本新日铁和住友公司分别根据各自的短时间的蠕变断裂资料外推出来的，分别为132MPa和128MPa，在强度上P92和P122有较大的优势。然而，欧洲对日本目前所采用P92和P122资料外推的方法提出置疑，按照欧洲的外推，P92在600℃下10万小时的持久强度为115MPa，因此，这两种钢与E911比强度上仅仅略占优势，而且根据他们对P92较长时间的研究结果，P92、P122在长时间的运行中强度降低幅度比E911大。
3.1.2焊接问题
降低焊缝的脆性是个重要的技术问题，需要从焊材和工艺方面进行解决，W含量对焊接有一定影响，P92和P122比P91和E911需要更长的焊后热处理时间来保证焊缝韧性。关于焊接裂纹敏感性，P92与E911接近，但作为12Cr钢的P122在焊接上会有较大的难度。焊缝的强度在短时间内与母材相当，但在长时间的运行中，在热影响区存在IV型裂纹倾向，强度可能会降低，因此采用这三种钢在管道对焊接接头的长期性能需要进行研究，提出相应的监督和评估措施和手段，保证焊接接头的安全。P92 在国内已经得到长时间的应用，焊接上已经没有太大的技术问题。
3.1.3高温蒸汽抗氧化与腐蚀性能
耐热钢的抗蒸汽氧化性能主要取决于Cr和Si的含量，P91、P92和E911含Cr都是9%，其氧化与腐蚀性能相近，P122含Cr量为12%，抗氧化腐蚀性能有所提高。在超超临界机组中，由于蒸汽温度的提高，蒸汽侧氧化和氧化层的剥落问题要比亚临界和超临界机组严重，国外的超超临界机组中有因为严重的蒸汽氧化问题被迫降低参数运行的例子，但我们分析认为，问题主要在过热器和再热器，对于600℃运行的主汽管道和620℃运行的高温再热蒸汽管道，由于金属壁温的波动不频繁，氧化层剥落的可能性较小，运行一段时间后，氧化速率逐渐下降达到平衡，因此9%Cr或12%Cr钢可以满足抗蒸汽氧化的性能要求。
通过对上述四种材料在高温蠕变持久强度、焊接性能、抗氧化性能等方面进行比较，得出相对适合本工程主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料为X10CrwMoVNb9-2（A335 P92），本工程推荐采用P92材料作为主蒸汽及高温再热蒸汽管道的管材。
3.2低温再热蒸汽管道
对于低温再热蒸汽管道，根据东汽厂提供的热平衡图，VWO工况下超高压缸、高压缸排汽温度均超过了435℃。
根据《电厂动力管道设计规范》（GB50764-2012）中5.2.5条规定：“中温高压或高温高压用直缝电熔焊钢管与管件可用于设计小于或等于10MPa，且设计温度不在蠕变范围之内的管道”。本工程一次低温再热蒸汽管道的VWO工况工作压力为11.656MPa （超过10mPa），推荐一次低温再热蒸汽管道采用无缝钢管A335P22。二次低温再热蒸汽管道VWO工况工作压力为3.764MPa，445.1℃，故二次低温再热蒸汽管道推荐采用电熔焊管A691 2-1/4Cr CL32。
3.3高压给水管道
尽管超超临界二次再热机组的蒸汽参数提高得较多，但根据目前东汽厂提供的热平衡图，其最高给水温度为331.7℃。就目前国内外超（超）临界高压给水管道普遍采用EN10216-2标准的15NiCuMoNb5-6-4无缝钢管来说，仍然适用。
3.4本工程六大管道选材的推荐意见
根据以上分析，本工程推荐的六大管道材料为：
（1）主蒸汽和高温再热蒸汽管道：X10CrwMoVNb9-2（A335 P92）。
（2）一次低温再热蒸汽管道：A335P22。
（3）二次低温再热蒸汽管道： A691Cr2-1/4CL32。
（4）高压给水管道：15NiCuMoNb5-6-4。
[关键词]二次再热机组 管道设计
[中图分类号] TM6 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-11-201-2
1本工程建设2×660MW超超临界凝汽式二次再热燃煤机组。
锅炉容量和主要参数（暂定）：
最大连续蒸发量（B-MCR） 1932t/h
一次再热蒸汽流量（B-MCR） 1691t/h
二次再热蒸汽流量（B-MCR） 1432t/h
给水温度（B-MCR） 331.7℃
锅炉过热器出口蒸汽参数 32.55MPa（a）/605℃
汽轮机容量和主要参数：
机组的铭牌出力（TRL） 660MW
阀门全开（VWO）功率 721.3 MW
额定主汽门前压力 28.98 MPa（a）
额定主汽门前温度 600℃
额定一次再热蒸汽温度 623℃
额定二次再热蒸汽温度 623℃
超高压缸排汽参数（THA） 434.9℃/10.819MPa（a）
高压缸排汽参数（THA） 444.8℃/3.399MPa（a）
背压 5.1kPa（a）/11.8kPa（a）
辅机配置：2×50%容量汽动给水泵；2×50%容量汽动引风机。
2六大管道设计参数的确定
2.1主蒸汽管道设计参数的确定
本工程主蒸汽管道的设计压力取主汽门进口处设计压力（汽机额定进汽压力的1.05倍）的1.05倍，即31×1.05×1.05-0.1=34.078MPa（g）。主蒸汽管道设计温度取用锅炉过热器出口蒸汽额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差值，温度偏差值可取5℃，即605+5=610℃。
2.2高温再热蒸汽管道设计参数的确定
高温再热蒸汽管道系统按汽轮发电机组VWO工况时的热平衡蒸汽量设计。
故本工程一次高温再热蒸汽管道的设计压力取汽轮机VWO工况超高压缸排汽压力的1.15倍，即11.899×1.15-0.1=13.58MPa（g）；一次高温再热蒸汽管道设计温度取用锅炉一次再热器出口蒸汽额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差值5℃，即622+5=627℃。
二次高温再热蒸汽管道的设计压力取汽轮机VWO工况高压缸排汽压力的1.15倍，即3.721×1.15-0.1=4.18MPa（g）；二次高温再热蒸汽管道设计温度取用锅炉二次再热器出口蒸汽额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差值5℃，即622+5=627℃。
2.3低温再热蒸汽管道设计参数的确定
低温再热蒸汽管道系统按汽轮发电机组VWO工况时的热平衡蒸汽量设计。
一、二次低温再热蒸汽管道设计压力取汽轮机VWO工况汽轮机超高压缸排汽压力的1.15倍，设计温度按汽轮机VWO工况高排参数，等熵求取在管道设计压力下相应的温度。
故本工程一次低温再热蒸汽管道设计压力为：11.899×1.15-0.1=13.58MPa（g），设计温度为445.77℃；二次低温再热蒸汽管道设计压力为：3.721×1.15-0.1=4.18MPa（g），设计温度为443.6℃。
2.4旁路管道设计参数的确定
低压旁路后系统管道的设计参数应与汽机厂及旁路阀厂协调后确定，低压旁路后设计压力一般可取1.2～1.6 MPa（g），工作压力一般取0.6～0.8MPa（a）。设计温度一般可取200～250℃，工作温度一般取160～190℃。
本工程的旁路系统为三级串联旁路系统，且为启动旁路。低压旁路阀前管道设计参数同热段管道，阀后管道设计参数取1.6 MPa（g），210℃，运行参数取0.8 MPa（a），190℃。
2.5高压给水管道设计参数的确定
系统暂设置2× 50%容量的汽动给水泵，前置泵与主泵同轴。
系统设四台全容量、卧式、双流程高压加热器，两台外置式蒸汽冷却器，四台高加与两台外置式蒸冷的给水采用大旁路系统。
给水系统按最大运行流量即锅炉最大连续蒸发量（BMCR）工况时相对应的给水量进行设计。
高压给水管道设计温度取高压加热器后高压给水的最高工作温度。
根据主机数据，初步计算了给水泵的出口压力为：37.45MPa（a）。一般给水泵的关闭扬程不超过给水泵出口扬程的20%，故主给水泵出口至关断阀段的管道压力暂定为：44.94MPa（a）；关断阀后到省煤器进口管道暂按42MPa（g）考虑，最终参数按给水泵制造厂提供的特性曲线核算后确定。给水温度取东汽厂提供热平衡图中VWO工况高加后最高工作温度331.7℃。
3六大管道材料选择
3.1主蒸汽和高温再热蒸汽管道选材
对于31MPa /600℃/620℃/620℃这一压力和温度的大容量超超临界机组的主蒸汽和高温再热蒸汽管道，包括汽机旁路阀前管道的材料，将比常规超临界机组面临更高压力和更高温度的考验。首先，管道材料的高温蠕变强度必须满足由于管道热膨胀而引起的热应力的要求。一般来说，适合于作为高温蒸汽管道的材料，其在工作温度下的105小时蠕变应力值应达到90～100MPa；同时，要求管道材料的热膨胀系数比较小且导热率较大，从而能够降低管道内的热应力水平；对于以上要求，同时考虑运行可靠性和经济因素，从而使主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料的选择范围很小。 适合应用于超超临界机组主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料主要有A335 P91、EN10216-2：2002标准的X10CrwMoVNb9-2（A335 P92）、A335 P122、E911这四种材料。四种材料的化学成分见表1。
P91在国内已经得到广泛应用，是一种改良的9CrMoVNbN钢，P92、E911是在P91基础上通过添加W取代部分Mo来提高高温强度的，其中E911含W 0.9%，P92含W 1.8%，三种材料含Cr量均为9%； P122 Cr含量为12%，含W 2.0%，由于Cr含量比较高，为了避免在组织中出现δ铁素体引起材料的脆性，添加了0.3～1.70%的Cu来降低Cr当量。
3.1.1高温蠕变持久强度
P91在600℃下10万小时的持久强度为94MPa，E911为115MPa，P92和P122由于目前的试验时间还没有达到10万小时，ASME规范中现在的资料是日本新日铁和住友公司分别根据各自的短时间的蠕变断裂资料外推出来的，分别为132MPa和128MPa，在强度上P92和P122有较大的优势。然而，欧洲对日本目前所采用P92和P122资料外推的方法提出置疑，按照欧洲的外推，P92在600℃下10万小时的持久强度为115MPa，因此，这两种钢与E911比强度上仅仅略占优势，而且根据他们对P92较长时间的研究结果，P92、P122在长时间的运行中强度降低幅度比E911大。
3.1.2焊接问题
降低焊缝的脆性是个重要的技术问题，需要从焊材和工艺方面进行解决，W含量对焊接有一定影响，P92和P122比P91和E911需要更长的焊后热处理时间来保证焊缝韧性。关于焊接裂纹敏感性，P92与E911接近，但作为12Cr钢的P122在焊接上会有较大的难度。焊缝的强度在短时间内与母材相当，但在长时间的运行中，在热影响区存在IV型裂纹倾向，强度可能会降低，因此采用这三种钢在管道对焊接接头的长期性能需要进行研究，提出相应的监督和评估措施和手段，保证焊接接头的安全。P92 在国内已经得到长时间的应用，焊接上已经没有太大的技术问题。
3.1.3高温蒸汽抗氧化与腐蚀性能
耐热钢的抗蒸汽氧化性能主要取决于Cr和Si的含量，P91、P92和E911含Cr都是9%，其氧化与腐蚀性能相近，P122含Cr量为12%，抗氧化腐蚀性能有所提高。在超超临界机组中，由于蒸汽温度的提高，蒸汽侧氧化和氧化层的剥落问题要比亚临界和超临界机组严重，国外的超超临界机组中有因为严重的蒸汽氧化问题被迫降低参数运行的例子，但我们分析认为，问题主要在过热器和再热器，对于600℃运行的主汽管道和620℃运行的高温再热蒸汽管道，由于金属壁温的波动不频繁，氧化层剥落的可能性较小，运行一段时间后，氧化速率逐渐下降达到平衡，因此9%Cr或12%Cr钢可以满足抗蒸汽氧化的性能要求。
通过对上述四种材料在高温蠕变持久强度、焊接性能、抗氧化性能等方面进行比较，得出相对适合本工程主蒸汽和高温再热蒸汽管道的材料为X10CrwMoVNb9-2（A335 P92），本工程推荐采用P92材料作为主蒸汽及高温再热蒸汽管道的管材。
3.2低温再热蒸汽管道
对于低温再热蒸汽管道，根据东汽厂提供的热平衡图，VWO工况下超高压缸、高压缸排汽温度均超过了435℃。
根据《电厂动力管道设计规范》（GB50764-2012）中5.2.5条规定：“中温高压或高温高压用直缝电熔焊钢管与管件可用于设计小于或等于10MPa，且设计温度不在蠕变范围之内的管道”。本工程一次低温再热蒸汽管道的VWO工况工作压力为11.656MPa （超过10mPa），推荐一次低温再热蒸汽管道采用无缝钢管A335P22。二次低温再热蒸汽管道VWO工况工作压力为3.764MPa，445.1℃，故二次低温再热蒸汽管道推荐采用电熔焊管A691 2-1/4Cr CL32。
3.3高压给水管道
尽管超超临界二次再热机组的蒸汽参数提高得较多，但根据目前东汽厂提供的热平衡图，其最高给水温度为331.7℃。就目前国内外超（超）临界高压给水管道普遍采用EN10216-2标准的15NiCuMoNb5-6-4无缝钢管来说，仍然适用。
3.4本工程六大管道选材的推荐意见
根据以上分析，本工程推荐的六大管道材料为：
（1）主蒸汽和高温再热蒸汽管道：X10CrwMoVNb9-2（A335 P92）。
（2）一次低温再热蒸汽管道：A335P22。
（3）二次低温再热蒸汽管道： A691Cr2-1/4CL32。
（4）高压给水管道：15NiCuMoNb5-6-4。