P91鋼介紹

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，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)

P91, P92鋼的室溫力學(xué)性能見表2所示。(見表2)

從表2可以看出，P91鋼的室溫屈服極限是P22鋼的2倍，抗拉強(qiáng)度比P22鋼高41%。

P91, P92鋼的許用應(yīng)力及蠕變強(qiáng)度見表3所示。(見表3)

從表3可以看出，P91 鋼在650 ℃以下時(shí)，所有溫度的許用應(yīng)力均比 P22 鋼高。在管道設(shè)計(jì)中，許用應(yīng)力的大小直接影響到管壁厚度的選擇，正是因?yàn)橐?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鋼的主蒸汽管道系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):管道系統(tǒng)柔度增加，減少了膨脹力;支吊架的載荷減少;端點(diǎn)推力和力矩降低;允許機(jī)組負(fù)荷變化較快，起動(dòng)時(shí)間縮短;投資成本降低。

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。

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。

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。

目前， P91 鋼材已用于丹東電廠(2×350 MW)、鴨河口電廠(2×350 MW)、鹽城電廠(6×500 MW)、聊城電廠(2×660 MW)、洛磺電廠(2×350 MW)、珠海電廠(2×700 MW)、鄒縣電廠(2×600 MW)、梅洲灣電廠(2×300 MW)、外高橋電廠(2×900MW)等工程中。河北電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院參與設(shè)計(jì)的邯峰電廠(2×660 MW)主汽管道也采用了 P91 鋼材，該單位曾對(duì)管道采用 P91 鋼和 P22 鋼材的不同情況作了比較，得出的結(jié)論是:由于 P91 鋼材管道壁厚減薄，比采用 P22 鋼材減少用材量40%以上，從而節(jié)省材料費(fèi)、安裝費(fèi)30%以上，如表5所示。由于管道自重減輕，支吊架荷重也相應(yīng)減小，支吊方便，設(shè)計(jì)、安裝也方便，不但節(jié)省支吊架造價(jià)，也節(jié)省土建費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益很可觀。(見表5)

從以上分析可知，與以往采用 P22 鋼相比，P91 鋼具有許多優(yōu)點(diǎn):化學(xué)成分更好，機(jī)械性能、高溫性能優(yōu)越，加工性能、焊接性能好。由于 P91 鋼的這些優(yōu)點(diǎn)，在亞臨界機(jī)組中，主蒸汽管道采用 P91 鋼代替 P22 鋼，可節(jié)省工程投資，也給設(shè)計(jì)、安裝帶來方便。新建的大容量機(jī)組，需滿足21世紀(jì)示范電廠的設(shè)計(jì)思想--技術(shù)先進(jìn)又要控制工程造價(jià)。因此，新建的大容量機(jī)組大膽采用P91管材，是符合21世紀(jì)示范電廠的設(shè)計(jì)思想。

關(guān)鍵詞:P91鋼;P22鋼;特性;應(yīng)用;經(jīng)濟(jì)效益

所有鋼管按制造方法均可分為兩類，即無縫鋼管和焊接鋼管，P91合金鋼管也不例外，有P91無縫鋼管和P91焊接鋼管等。其中，無縫鋼管又主要有熱軋和冷軋(冷拔)等種類。

按GB/T8162-87規(guī)定如下:

4.1、規(guī)格:熱軋管外徑32~630mm。壁厚2.5~75mm。冷軋(冷拔)管外徑5~200mm。壁厚2.5~12mm。

4.2、外觀質(zhì)量:鋼管的內(nèi)外表面不得有裂縫、折疊、軋折、離層、發(fā)紋和結(jié)疤缺陷存在。這些缺陷應(yīng)完全清除掉，清除后不得使壁厚和外徑超過負(fù)偏差。

4.3、鋼管的兩端應(yīng)切成直角，并清除毛刺。壁厚大于20mm的鋼管允許氣割和熱鋸切割。經(jīng)供需雙方協(xié)議也可不切頭。

4.4、冷拔或冷軋精密 P91合金管《表面質(zhì)量》參照GB3639-83。

5、化學(xué)成分檢驗(yàn)

5.1、按化學(xué)成分和機(jī)械性能供應(yīng)的國(guó)產(chǎn)P91合金管，如10、15、20、25、30、35、40、45和50號(hào)鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T699-88的規(guī)定。進(jìn)口P91合金管按合同規(guī)定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)。09MnV、16Mn、15MnV鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合GB1591-79的規(guī)定。

5.2、具體分析方法參照GB223-84《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》的有關(guān)部分。

5.3、分析偏差參照GB222-84《鋼的化學(xué)分析用試樣及成品化學(xué)成分允許偏差》。

為增大氬氣保護(hù)區(qū)和增強(qiáng)保護(hù)效果，可采用大直徑焊槍瓷嘴，加大焊槍氬氣流量。當(dāng)噴嘴上有明顯阻礙氬氣氣流流通的飛濺物附著時(shí)。必須將飛濺物清除或更換噴嘴。當(dāng)鎢極端部出現(xiàn)污染，形狀不規(guī)則等現(xiàn)象時(shí).必須修整或更換。鎢極不宜伸出噴嘴外。焊接溫度的控制主要是焊接速度和焊接電流大小的控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，大電流、快速焊能有效防止氣孔的產(chǎn)生。這主要是由于在焊接過程中以較快速度焊透焊縫，熔化金屬受熱時(shí)間短，吸收氣體的機(jī)會(huì)少

鋼管重量計(jì)算公式 [(外徑-壁厚)*壁厚]*0.02466=kg/米(每米的重量)

P91鋼相當(dāng)于國(guó)標(biāo)10Cr9Mo1VNb。T91/P91(10Cr9Mo1VNb)

不僅具有高的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能，而且還具有良好的沖擊韌性和高而穩(wěn)定的持久塑性及熱強(qiáng)性能。在使用溫度低于620℃時(shí)，其許用應(yīng)力高于奧氏體不銹鋼。在550℃以上，推薦的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力約為T9和2.25Cr-1Mo鋼的兩倍。