目前新建的亞臨界機(jī)組中，主蒸汽管道及再熱蒸汽管道熱段的材料已用P91鋼代替P22鋼。為此，從化學(xué)元素、室溫力學(xué)性能、許用應(yīng)力及蠕變強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率、焊接性能方面分析比較P91鋼和P22鋼，說明P91鋼更具優(yōu)越性。最后通過在工程上的實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步說明采用P91鋼能節(jié)省管材，方便設(shè)計(jì)、安裝，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。
高溫、高壓管道材料是火力發(fā)電廠最重要的用材之一，它不僅對(duì)電廠的安全運(yùn)行起著重要的作用，而且也影響電廠的建設(shè)投資。過去國(guó)內(nèi)的600 MW機(jī)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(diǎn)是工藝性能良好，對(duì)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(diǎn)是強(qiáng)度較低，尤其是高溫持久強(qiáng)度比 12Cr1MoV 鋼低，在相同溫度、應(yīng)力下使用時(shí)，其管壁厚度要比 12Cr1MoV 鋼厚約30%。汽水管道壁厚過大，不僅增加制造上的困難，而且也給設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行帶來不便。20世紀(jì)80年代，美國(guó)推出了 A335P91 管材，由于該管材比P22鋼材具有更好的高溫性能，它的推出馬上得到世界各國(guó)的關(guān)注。在壓力、溫度、內(nèi)徑相同的情況下，主蒸汽管道及再熱熱段管道采用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%。
在以往的工程中，超高壓125 MW及200 MW機(jī)組的主蒸汽管道選用 10 CrMo910 鋼；20世紀(jì)70年代末到80年代，引進(jìn)了亞臨界300 MW及600 MW機(jī)組，其主蒸汽管道選用 A335P22 鋼，這兩種鋼材性能相當(dāng)，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(shí)只能選用奧氏體耐熱鋼，奧氏體鋼最高工作溫度達(dá)700 ℃，但這種鋼的熱膨脹性較高，對(duì)應(yīng)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鋼是為了填補(bǔ)珠光體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼之間600～650 ℃溫度區(qū)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(shí)際上在原9Cr-1Mo鋼基礎(chǔ)上加進(jìn)V，Nb，N等強(qiáng)化元素，形成一種變質(zhì)新鋼種。
P91和P22鋼元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
P91，P22 鋼主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。鋼中元素S是硫化物夾雜的主要來源，易產(chǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)要低；V，Nb 及N屬于強(qiáng)化元素，可提高鋼材的強(qiáng)度；Cr，Si 等元素可使金屬在高溫運(yùn)行時(shí)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(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，抗氧化性較高，又增加了強(qiáng)化元素，是一種優(yōu)于P22鋼的高溫、高壓管材。（見表1）
室溫力學(xué)性能
P91, P92鋼的室溫力學(xué)性能見表2所示。（見表2）
表2許用應(yīng)力及蠕變強(qiáng)度
P91, P92鋼的許用應(yīng)力及蠕變強(qiáng)度見表3所示。（見表3）
表3在火力發(fā)電廠中，為了保證主蒸汽管道的安全運(yùn)行，對(duì)介質(zhì)溫度為500 ℃及以上的每條主汽管道都要進(jìn)行蠕變監(jiān)控。影響蠕變的主要因素包括溫度、應(yīng)力和鋼材本身，溫度越高，應(yīng)力越大，蠕變速度也越快。根據(jù)廠家的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在105 h及550 ℃下時(shí)，P91 鋼的蠕變強(qiáng)度幾乎為 P22 鋼的兩倍。
線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率
P91, P22鋼的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率見表4所示。（見表4）
從表4可知，P91 鋼的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)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(shí)在運(yùn)行中產(chǎn)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(shí)異種鋼接頭壽命短的主要原因。由于 P91 鋼的線膨脹系數(shù)比 P22 鋼略低，又可降低管道的端點(diǎn)推力和力矩。 焊接性能
P91 鋼可按現(xiàn)有方法進(jìn)行電弧焊接，包括可用氬弧焊接（TIG）方法進(jìn)行焊接。焊條和焊劑的選擇，應(yīng)當(dāng)盡量使焊縫和母材的化學(xué)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(qiáng)度。由于該鋼對(duì)熱裂紋不敏感，施焊前預(yù)熱到150～200 ℃時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)裂紋，并可與各種鋼，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(shí)，可選用9Cr-1Mo(T9)或改進(jìn)的9Cr-1Mo(T91)焊條，壁厚大于25 mm 的管道采用后者，預(yù)熱溫度為200 ℃，焊接后緩慢冷卻到室溫，然后在730 ℃以上溫度回火；
b) P91 鋼與 10CrMo910 焊接時(shí)，焊接材料要與 10CrMo910 相匹配， 730 ℃時(shí)應(yīng)力釋放后應(yīng)在空氣中冷卻2 h，由于這兩種材料焊接部位有一個(gè)脫碳區(qū)，若采用 10CrMo910 焊條焊接，要保證焊接金屬的含碳量夠高，以滿足持久強(qiáng)度的要求；
c) P91 鋼與 P22 鋼焊接時(shí)，焊條可選用 2.25Cr-1Mo 焊條，預(yù)熱溫度為200 ℃，焊接后緩慢冷卻到室溫，然后在700～725 ℃下回火，也可先在P91鋼側(cè)堆焊 5Cr1-1Mo 焊條,然后再與 P22 鋼焊接；
d) P91 鋼與 X20CrMoV121 焊接時(shí)，要用兩者相匹配的焊接材料，如 P91 鋼焊條，預(yù)熱溫度為250 ℃，焊后緩慢冷卻到80～100 ℃，在750 ℃以上溫度回火；
e) P91 鋼與 TP304H 焊接時(shí)，用 Inconel 182Ni 基合金焊條，預(yù)熱溫度為200 ℃，焊后冷卻到室溫，在700～730 ℃回火。
以上焊后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。由于 P91 蠕變強(qiáng)度高，在同樣條件下，管道壁厚比采用 P22 鋼要薄，焊縫填充金屬量相對(duì)要少，但 P91 鋼對(duì)焊縫 IV 型裂紋敏感，因此，要盡量減少 P91 鋼材中的系統(tǒng)應(yīng)力，對(duì)壁厚大于12.5 mm的管道，要求在焊后冷到100 ℃以上即回火。
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