P91鋼

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(jì)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(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 ℃，實際上在原9Cr-1Mo鋼基礎(chǔ)上加進V，Nb，N等強化元素，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(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，抗氧化性較高，又增加了強化元素，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，抗拉強度比P22鋼高41%。

P91, P92鋼的許用應(yīng)力及蠕變強度見表3所示。(見表3)

從表3可以看出，P91 鋼在650 ℃以下時，所有溫度的許用應(yīng)力均比 P22 鋼高。在管道設(shè)計中，許用應(yīng)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鋼的主蒸汽管道系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:管道系統(tǒng)柔度增加，減少了膨脹力;支吊架的載荷減少;端點推力和力矩降低;允許機組負(fù)荷變化較快，起動時間縮短;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行，對介質(zhì)溫度為500 ℃及以上的每條主汽管道都要進行蠕變監(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)廠家的試驗數(shù)據(jù)，在105 h及550 ℃下時，P91 鋼的蠕變強度幾乎為 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在運行中產(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推力和力矩。

P91 鋼可按現(xiàn)有方法進行電弧焊接，包括可用氬弧焊接(TIG)方法進行焊接。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度。由于該鋼對熱裂紋不敏感，施焊前預(yù)熱到150~200 ℃時也不會出現(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，可選用9Cr-1Mo(T9)或改進的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，焊接材料要與 10CrMo910 相匹配， 730 ℃時應(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，以滿足持久強度的要求;

c) P91 鋼與 P22 鋼焊接時，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，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，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要少，但 P91 鋼對焊縫 IV 型裂紋敏感，因此，要盡量減少 P91 鋼材中的系統(tǒng)應(yīng)力，對壁厚大于12.5 mm的管道，要求在焊后冷到100 ℃以上即回火。

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:化學(xué)成分更好，機械性能、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，在亞臨界機組中，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、安裝帶來方便。新建的大容量機組，需滿足21世紀(jì)示范電廠的設(shè)計思想--技術(shù)先進又要控制工程造價。因此，新建的大容量機組大膽采用P91管材，是符合21世紀(jì)示范電廠的設(shè)計思想。

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

高溫、高壓管道材料是火力發(fā)電廠最重要的用材之一，它不僅對電廠的安全運行起著重要的作用，而且也影響電廠的建設(shè)投資。過去國內(nèi)的600 MW機組工程，主蒸汽管道及再熱蒸汽管道熱段的管材均選用A335P22 管材。A335P22 鋼的特點是工藝性能良好，對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，最大的缺點是強度較低，尤其是高溫持久強度比 12Cr1MoV 鋼低，在相同溫度、應(yīng)力下使用時，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、安裝和運行帶來不便。20世紀(jì)80年代，美國推出了 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%。

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。河北電力勘測設(shè)計研究院參與設(shè)計的邯峰電廠(2×660 MW)主汽管道也采用了 P91 鋼材，該單位曾對管道采用 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、安裝費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、安裝也方便，不但節(jié)省支吊架造價，也節(jié)省土建費用，經(jīng)濟效益很可觀。(見表5)

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

5.1、按化學(xué)成分和機械性能供應(yīng)的國產(chǎn)P91合金管，如10、15、20、25、30、35、40、45和50號鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T699-88的規(guī)定。進口P91合金管按合同規(guī)定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢驗。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》。

為增大氬氣保護區(qū)和增強保護效果，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。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.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，熔化金屬受熱時間短，吸收氣體的機會少

鋼管重量計算公式 [(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性能。在使用溫度低于620℃時，其許用應(yīng)力高于奧氏體不銹鋼。在550℃以上，推薦的設(shè)計許用應(yīng)力約為T9和2.25Cr-1Mo鋼的兩倍。