新型燃气机组主、再蒸汽 P92管道安装

          新型燃气机组主、再蒸汽 P92管道安装

王子毅

               广东粤电滨海湾能源有限公司   广东省东莞市  523900

摘要：针对首次燃气联合循环机组主、再热蒸汽管道使用进口P92材质，通过结合工程机组设计、安装过程，本文论述了燃气机组主、再热蒸汽管设计的选材以及在安装焊接过程中P92管材的性能，研究了燃气机组P92焊接特性，为后期燃气机组P92管道安装提供参考。

关键词：联合循环机组、主蒸汽管、再热蒸汽管、P92、焊接

引言：广东粤电滨海湾能源公司在建的3台9H级燃气-蒸汽联合循环热电联产机组发电项目，主机主要技术规范：1、燃气轮机GE公司的型号：9HA.02，性能保证条件100%负荷功率：560MW。2、余热锅炉为杭锅生产，型式：卧式、自然循环、三压再热、无补燃，性能保证条件额定供热/纯凝工况的锅炉主要参数：高压过热器出口主蒸汽压力16.97/17.0MPa.a，高压过热器出口主蒸汽温度：601.5/603 ℃，高压主蒸汽流量：556.24/532.06 t/h，再热器出口蒸汽温度：603/603℃，再热器出口蒸汽流量： 260.76/559.47 t/h。3、蒸汽轮机哈尔滨电气，型号：D652，型式：三压再热、抽凝式、高中压分缸、下排汽汽轮机，性能保证条件100%额定供热/纯凝负荷功率：178.5/268MW。

一、主、再热蒸汽管道选材：

滨海湾能源公司3台835MW机组为全球首台在建最大单机商运重型机组，#1机组预计明年2024年3月168，目前#2、#3机进入后期安装阶段，大容量、高参数、能效高是其特点，对设计、制造、安装、调试、运行都带来很大挑战。

按《燃规》规定:“汽轮机进口最大蒸汽压力为余热锅炉过热器出口最大蒸汽压力减去管道压力损失，汽轮机最高进汽温度比余热锅炉过热器出口最高蒸汽温度低 1℃~2℃。

按《管规》规定:“超临界及以下参数机组，设计压力应取用锅炉最大连续蒸发量时过热器出口的额定工作压力。超超临界机组，主蒸汽管道的设计压力可取用主汽门进口处设计压力的 105%(主汽门入口处设计压力为汽轮机额定进汽压力的 105%) 或取用主汽门进口处设计压力加锅炉过热器出口至主汽门的管道压降，二者取大值。设计温度应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，当锅炉制造厂未提供温度偏差时，温度偏差值可取用 5°C。”因此，主、再热蒸汽管设计温度提高至608℃，选择高温蠕变强度下降小的管材，由于600℃已近P91临界点温度，所以从安全角度、高温持久强度考虑选取P92材质。

P92钢的主要性能：

1、具有良好的物理性能

P92钢的线膨胀系数与P91钢相同，比奥氏体钢低，甚至还低于P22钢的线膨胀系数，故P92钢在机组启动和停止时，抗疲劳损伤的能力优于奥氏体钢P22钢，导热率与P91钢相同，比奥氏体钢高。

2、具有比P91钢更高的高温蠕变断裂强度

P92钢的常温强度和高温强度高于P91钢。根据各国测试结果，按照ASME标准估算出来的550°C、600°C和625°C等不同温度下10万小时P92钢的蠕变断裂强度分别为199MPa、131MPa和101MPa;而P91钢在相应温度下的蠕变断裂强度分别为141MMPa、98MPa和68MPa。

3、具有优异的常温冲击韧性

P92钢具有比传统钢明显优越的高温性能，而且还有优异的常温韧度。它和P91钢的情况大致相同。

4、具有优良的抗氧化性能

P92钢的抗烟灰氧化和抗水基气氧化的性能与P91钢大致相同。经测试，P92钢与P91钢在600°C、700°C下3000小时的水蒸气氧化皮厚度大致相同。

二、管道工艺选型：

燃气机组与燃煤机组在管道设计上有很多不同，燃气机组启停频繁，为降低热力惯性及减少温差应力，需要在安全许可范围内尽量减少管壁厚度，同时，燃气机组模块化生产，体积小，管道布置紧密，热力管道高度压缩，作为首台大规模使用进口P92管材的燃气机组，主蒸汽、再热蒸汽P92管道为原装进口成品管材，产地为日本住友，管件为原装进口成品管件，产地为意大利泰科图比Tectubi，滨海湾能源公司四大管道的设计、制造、安装具有借鉴意义，有参考价值。

1、选择内径管。为增强高温高压管道使用性能，本工程主、再蒸汽管采用以“最小内径X最小壁厚”锻造直管，弯制弯管时用加大直管壁厚的锻造管子。对疏水管采用以“外径X壁厚”的直管弯制弯管，用挑选正偏差壁厚的管子进行弯制，弯管弯曲半径为管子外径的3 倍~5 倍，弯制后的圆度不大于5%。弯管圆度指弯管弯曲部分同一截面上最大外径与最小外径之差与最大外径之比。

2、选择先进工艺。现代锻造工艺能有效降低安全系数，可以在保持强度尤其高温蠕变强度同时有效减少管壁厚度，金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能，同时锻件的变形程度高，通过锻造破碎共晶碳化物的效果好，各向同性高，有完整的金属流线，虽然锻造的成本高，本工程还是选择锻造管。

 3、使用加强管件。管件作为吸收热应力主要部件，需具备非常高的强度及韧性，所有管件（弯头、三通等）均使用锻件，且属于加强型，厚度高于直管，同时三通使用Y型设计、斜三通，尽量使用45度弯头，减小阻力，降低汽水冲击，达到减少应力作用。

4、加强支吊架选型、调试。为了增加整个管系的稳定性，减少热应力的破坏，对主、再热蒸汽管道支架力系进行优化布置，以弹性支吊架为主，通过钢性支架分区，增加限位，并在进缸处增加阻尼，使整个力系刚柔并济，以平衡应力，通过管件（三通、弯头）吸纳巨大热应力，降低应力对薄弱的焊逢的作用。

三、安装注意事项：

尽管加厚、加强管件对热应力吸纳，以及限位、阻尼降低了对焊接接头冲击，但焊接接头还是机组运行安全的最薄弱环节，P92对。

1、焊缝韧性低于母材。焊缝金属是从温度非常高的熔融状态冷却下来的铸造结构，它没有机会经过热控轧加工过程，晶粒得不到细化，Nb等微合金化元素还固熔在基体内，没有机会充分析出的缘故。

2、焊接上有较大的技术难度。P92钢合金元素含量高，容易出现接头冲击功低和长期运行中的开裂早期失效，如果焊接质量得不到保证，P92的优势将不复存在，并对机组运行安全性带来威胁。

3、P92还具有较明显的时效倾向。经3000小时时效后，其韧性下降了许多。P92钢的冲击功从时效前的220J左右降到了70J左右，在3000小时时效以后，冲击功继续下降的倾向不明显，冲击功将稳定在时效3000小时的水平。时效倾向发生在550～650℃的范围内，这个温度范围正是该钢材的工作温度范围。母材也具有明显的时效倾向，与母材成分相近的焊缝也会有同样的倾向。

 4、温度敏感。对P92预热温度高于150°C时不会产生冷裂纹。P92材料的马氏体转变般从300-400°C范围内开始，到200-300C范围内结束。预热温度过高会影响组织全部马氏体化，一般定在150~200°C范围内。预热温度高些，有利于氢的溢出，从而改善冲击性能。层间温度对性能的影响也很大，过高的层间温度同样会影响马氏体转变，一般层间温度不超过300°，最好低于250°C。但通过试验可以看出，层间温度不超过200°C对冲击韧性有利。

5、容易产生裂纹。对于因其他原因不能及时热处理的焊口，必须马上进行后热处理，否则会造成冷裂和氢脆性，后热的目的是去氢，氢在奥氏体中的溶解度大于在马氏体中的溶解度，在马氏转变温度下去氢效果更好，由于P92钢马氏体转变结束温度在200~300°C之间，所以后热温度以不高于预热温度为限，后热时间保温至少2小时。焊缝扩散氢的聚集对冲击韧性有直接的危害，另外在焊后热处理前管道温度必须保证在80°C以上同时避免急冷急热和机械撞击。

本工程四大管道P92管材在配管、安装过程中，与余热锅炉（杭锅）国产P92具有明显不同，在锅炉端国产P92管焊接表现相当成熟的焊工也连连失手，在#1机安装过程中，由锅炉端抽调过来的P92焊工，初期全部表现不合格（首口1~4口均不合格），业主方紧急组织施工方进行技术攻关，造成信心急剧下降，在#2机安装过程中，合格率也迟迟上不去，只到#3机安装积累了较丰富的经验，才达到稳定发挥，并在#3机安装过程中实现焊口100%合格率。

结论：对于高温高压的主再蒸汽选材非常重要，设计细节能减少最薄弱环节焊接接头的冲击，降低管系应力，保护焊接接头，进口P92焊接要求很高，焊接工艺的针对性更强，需要做专门的焊接工艺评定、热处理工艺评定，焊工上岗前要在同种钢材焊培试件上反复练习，考试合格，严格按执行工艺，氩弧焊打底应焊两遍，防止电焊击穿打底层，造成根部氧化。P92具有高度温度敏感性，时效性强，要求焊接过程中严格控制温度，强化预热和层间温度控制，焊工要严防弧坑热裂纹的产生，并在规范要求时间内尽快完成热处理，包炉均匀，最大限度减少温差，同时，考虑到现场条件限制，适当提高现场热处理温度，从最终热处理应在最低730C下回火提高到760℃回火左右，正负偏差10℃。燃气轮机首次使用 P92 材料，运行经验欠缺，且行业对 P92 材料的老化破坏机理了解不透彻，需加强对 P92 钢管件的订货、到货验收、下料、对口、焊接、热处理、检验检测的全过程管控。

参考文献：

1、ASTM A335-2018

2、超（超）临界机组电金属材料焊接技术  冯砚厅