高強鋼材料在電站壓力鋼管中的適用性研究

王建忠，吳昕達，李志浩，石天磊，丁曉霞，吳 剛

（浙江寧海抽水蓄能有限公司，浙江 寧波 315621）

高強度鋼一般指屈服強度小于1 180 MPa，大于460 MPa的特種鋼材，一般用作大批量高壓力管道及容器的建設。當前電廠管道體系中，需要使用大批量的可以承擔超臨界、亞臨界狀態(tài)蒸汽壓力的管路，這類管路壓力高、流量大、閥門開關過程中氣錘效應顯著，需要考慮使用高強度鋼材料實現(xiàn)管道功能。其中，亞臨界蒸汽壓力為16.77 MPa，溫度540℃，超臨界蒸汽壓力22.11 MPa，溫度550℃，超臨界蒸汽壓力31.00 MPa，溫度600℃。

如果采用普通鋼材，當鋼材溫度超過500℃時，分子結(jié)構(gòu)開始逐漸活躍，宏觀結(jié)構(gòu)蠕性特性增加，黑體輻射逐漸進入到可見光波段，即出現(xiàn)“燒紅”現(xiàn)象。該研究使用仿真試驗方法，研究常規(guī)運行條件下高強鋼材料在電廠高壓高溫管路中的表現(xiàn)，進而探討氣錘、水錘作用對高強鋼材料的可靠性影響，重點探討不同屈服強度的高強度鋼在高溫蠕變條件下的抗高壓、抗高溫特性，探討高強鋼材料在電站壓力鋼管中的適用性。

1 仿真實驗過程實錄

火力發(fā)電站管系中，不同位置的管道直徑、流量、溫度、壓力等參數(shù)均有差異，該研究重點針對鍋爐承壓容器到蒸汽輪機主控閘閥之間的高溫高壓管道，這部分管道的壓力、溫度要求在火力發(fā)電站中最為苛刻，常規(guī)條件下也作為火力發(fā)電站的標稱壓力和標稱溫度進行控制。所以，該研究針對該段管道構(gòu)建仿真實驗環(huán)境。

在Autodesk CAE環(huán)境下加載流體力學控件、熱力學控件和Simuwork仿真環(huán)境控件，在浮點型計算主機上構(gòu)建仿真環(huán)境，熱源設定540~600℃，壓力源設定為16.77~31.00 MPa，選擇鋼材料熱力學、結(jié)構(gòu)力學、分子力學特性根據(jù)AHSS-DP國際標準材料特性表中查詢配置。

實驗過程分為以下兩步：

（1）檢測材料常規(guī)運行狀態(tài)下，即恒定溫度、壓力、流量條件下鋼材料的形變特征。檢測材料常規(guī)運行條件下的疲勞、損傷情況；

（2）檢測蒸汽壓力條件下的抗氣錘效應特征，閥門開關時間設定為6 s，閥門形式為電動螺桿式閘閥，連續(xù)開合閥門一定次數(shù)后，觀察材料常規(guī)運行條件下的疲勞、損傷情況。

數(shù)據(jù)比較分析過程使用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件輔助進行，其中：回歸分析使用校驗模式，當＞0.70時認為數(shù)據(jù)有可置信的關聯(lián)度，當＞0.99時認為數(shù)據(jù)有顯著的關聯(lián)度，且值越大，數(shù)據(jù)關聯(lián)度越高；差異分析使用雙變量校驗模式，當＜10.000時認為數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計學差異，且值越小，認為數(shù)據(jù)差異性越大，且同時考察雙變量校驗的值，當＜0.05時，認為比較結(jié)果在可置信空間內(nèi)，當＜0.01時，認為比較結(jié)果有顯著的統(tǒng)計學意義，且值越小，認為數(shù)據(jù)置信度越高。

實際運行環(huán)境中，電廠內(nèi)相關管道一般采用中高強度鋼材料DP-460，該研究將該材料管道實際運行參數(shù)提取并在仿真環(huán)境中構(gòu)建參照組，以研究高強鋼材料AHSS-DP-550的參數(shù)優(yōu)勢。

2 常規(guī)運行狀態(tài)高強鋼材料的表現(xiàn)

恒定溫度、壓力、流量條件下，影響管壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素包括管道內(nèi)徑、管道壁厚、管道熱處理方式、管道鍛壓方式等諸多其他因素。實際仿真分析過程中，發(fā)現(xiàn)：管道內(nèi)流量增加，動壓增加而靜壓減小，管道常規(guī)運行狀態(tài)下的應力可靠性增加，但此過程對管道的影響較為緩和，所以不展開論述；管道熱處理過程，比如鍛壓過程、回火過程、焊接過程等，均對管道可靠性帶來影響，但如果此工藝過程不存在瑕疵，也不會給管道可靠性帶來顯著影響，所以此處也不展開論述；常規(guī)壓力、溫度條件下的管壁厚度對管道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響最為劇烈，如圖1所示。

圖1 管壁厚度與屈服壓力的回歸分析結(jié)果Fig.1 Regression analysis results of pipe wall thickness and yield pressure

由圖1可知，考察AHSS-DP-550鋼在熱鍛持續(xù)成型管道技術條件下加工管材的持續(xù)工況屈服壓力，考察管壁厚度為25~45 mm，考察管道內(nèi)徑為600 mm，發(fā)現(xiàn)隨著溫度上升，管道屈服壓力隨之下降，特別在600℃工況下，當管壁厚度小于34 mm時，系統(tǒng)會在工況壓力31.00 MPa下屈服。上述回歸曲線，值分別為0.993、0.990、0.854，均存在＞0.70，具有可置信的統(tǒng)計學關聯(lián)。

該管道在電站內(nèi)部署的過程中，不能只考察管道在恒定溫度、壓力、流量條件下的運行狀態(tài)，還應考察閥門開關過程中的氣錘效應，所以必須保留足夠的管道厚度余量。對比分析某電站實際應用的DP-460中強度鋼材料，輸入相關查表參數(shù)后，對比其不同溫度、壓力條件下屈服時的最小厚度，如表1所示。

表1 強度鋼和高強度鋼的工況條件下最小厚度比較表Tab.1 Comparison of minimum thickness between strength steel and high strength steel under working conditions mm

由表1可知，高強度鋼（AHSS-DP-550）與中強度鋼（DP-460）相比，考慮到內(nèi)徑600 mm的管道結(jié)構(gòu)，考察不同的管道管壁厚度，以圓環(huán)面積計算，在不同溫度、壓力條件下，分別節(jié)約鋼材33.30%、33.56%、37.01%。上 述 比 較 結(jié) 果＜10.000，＜0.01，具有顯著的統(tǒng)計學差異。

3 氣錘效應下高強鋼材料的表現(xiàn)

流體在管道內(nèi)的流量被閥門等設施截斷時，因為流體慣性力的反作用力，會給管道帶來瞬時額外壓力應力，可能對管道的焊縫、接頭、管件等帶來沖擊破壞作用。因為液體的可壓縮性顯著低于氣體，所以液體帶來的水錘效應會顯著高于氣體帶來的氣錘效應。電站管道內(nèi)運行的高溫高壓氣體，可壓縮性遠低于常壓氣體，其氣錘效應接近水錘效應的影響效果，所以此處應考察不同工況下的氣錘效應。即相關文獻中指出，在水蒸氣的亞臨界狀態(tài)下，以及溫度、壓力更高的超臨界狀態(tài)下和超超臨界狀態(tài)下，其氣體可壓縮性接近于零，氣錘效應對管道可靠性的影響接近水錘效應。

如前文所述，該研究考察的電站高溫高壓管道，采用閘閥控制，從全閉到全開及全開到全閉的動作時間均設定為6 s，閘閥節(jié)流曲線按照圓形斷面割線面積法計算。因為氣錘條件的仿真過程也較為復雜，此處不展開論述全部仿真結(jié)果，考慮到氣錘條件影響后，修正的管壁可靠厚度如表2所示。

表2 中強度鋼和高強度鋼的氣錘條件下最小厚度比較表Tab.2 Comparison of minimum thickness between medium strength steel and high strength steel under air hammer condition mm

表2中，工況厚度沿承前文表1中計算獲得恒定溫度、壓力、流量條件下的最小管壁厚度，最小冗余取值為考慮到氣錘效應后的最小管壁厚度，考察不同的管道管壁厚度，以圓環(huán)面積計算，不同溫度、壓力條件下分別節(jié)約鋼材25.39%、29.26%、42.41%。上述比較結(jié)果＜10.000，＜0.01，具有顯著的統(tǒng)計學差異。

對比恒定工況條件下的最小管壁厚度和考慮氣錘條件下最小管壁厚度，特別比較實用高強度鋼后相比較中強度鋼的鋼材料節(jié)約量，會發(fā)現(xiàn)實用高強度鋼的3點優(yōu)勢：使用高強度鋼后，鋼材料總消耗量大幅度減少，因為高強度鋼的市場價格較中強度鋼僅高出15%左右，實際鋼材節(jié)約量遠超過該單價提升量，所以使用高強度鋼可以節(jié)約建設過程的材料費支出。因為使用高強度鋼后節(jié)約了大量鋼材，關聯(lián)的鋼材冶煉等過程的電能消耗、碳排放等環(huán)境保護要素也得到提升。隨著溫度壓力的提升，使用高強度鋼的經(jīng)濟性會顯著提升，特別是考慮氣錘條件后，在高壓力、高溫度條件下的材料節(jié)約量更為顯著。

4 結(jié)語

該研究停留在仿真分析過程中，仿真目標為鍋爐承壓管路到汽輪機主控閘閥之間的高溫高壓管路，該部分管路為亞臨界、超臨界火力發(fā)電站中壓力、溫度條件最苛刻的管路。經(jīng)過仿真分析，發(fā)現(xiàn)使用高強度鋼后，管道內(nèi)徑保持不變的條件下，管道管壁厚度可以大幅度降低，從而節(jié)約最高可達42.41%的鋼材用量，一方面節(jié)約了建設材料費成本，另一方面通過鋼材加工關聯(lián)工藝實現(xiàn)建設項目的綠色節(jié)能。