高强钢材料在电站压力钢管中的适用性研究

王建忠　吴昕达　李志浩　石天磊　丁晓霞　吴刚

摘 要：通过仿真分析，研究火力发电站高温高压管路中应用高强度钢材料替代中强度钢材料的实际应用效果，重点分析了常规工况条件下的钢材料屈服失稳情况和气锤效应影响下钢材料屈服失稳情况。发现使用高强度钢后，最多可节约42.41%的钢材料用量，节约材料费的同时，关联炼钢、轧钢过程的工艺过程，可实现更有效的环保节能效果。所以认为高强度钢在电站压力钢管中具有适用性。

关键词：高强度钢;火力发电站;压力钢管;适用性;仿真分析

中图分类号：TM425 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）04-0163-03

Abstract： Through simulation analysis， the practical application effect of replacing medium strength steel with high strength steel in high temperature and high pressure pipeline of thermal power station is studied， focusing on the yield instability of steel under normal working conditions and the yield instability of steel under the influence of air hammer effect. It is found that the use of high strength steel can save up to 42.41% of the amount of steel materials. At the same time， it can achieve more effective environmental protection and energy saving effect by connecting the process of steel making and rolling. Therefore， it is considered that high strength steel has applicability in power plant penstock.

Key words：  high strength steel; thermal power station; penstock; applicability; simulation analysis

高強度钢一般指屈服强度小于1 180 MPa，大于460 MPa的特种钢材，一般用作大批量高压力管道及容器的建设[1]。当前电厂管道体系中，需要使用大批量的可以承担超临界、亚临界状态蒸汽压力的管路，这类管路压力高、流量大、阀门开关过程中气锤效应显著，需要考虑使用高强度钢材料实现管道功能[2]。其中，亚临界蒸汽压力为16.77 MPa，温度540℃，超临界蒸汽压力22.11 MPa，温度550℃，超临界蒸汽压力31.00 MPa，温度600℃[3]。

如果采用普通钢材，当钢材温度超过500℃时，分子结构开始逐渐活跃，宏观结构蠕性特性增加，黑体辐射逐渐进入到可见光波段，即出现“烧红”现象。该研究使用仿真试验方法，研究常规运行条件下高强钢材料在电厂高压高温管路中的表现，进而探讨气锤、水锤作用对高强钢材料的可靠性影响，重点探讨不同屈服强度的高强度钢在高温蠕变条件下的抗高压、抗高温特性，探讨高强钢材料在电站压力钢管中的适用性[4]。

1 仿真实验过程实录

火力发电站管系中，不同位置的管道直径、流量、温度、压力等参数均有差异，该研究重点针对锅炉承压容器到蒸汽轮机主控闸阀之间的高温高压管道，这部分管道的压力、温度要求在火力发电站中最为苛刻，常规条件下也作为火力发电站的标称压力和标称温度进行控制。所以，该研究针对该段管道构建仿真实验环境[5]。

在Autodesk CAE环境下加载流体力学控件、热力学控件和Simuwork仿真环境控件，在浮点型计算主机上构建仿真环境，热源设定540～600℃，压力源设定为16.77～31.00 MPa，选择钢材料热力学、结构力学、分子力学特性根据AHSS-DP国际标准材料特性表中查询配置[6]。

实验过程分为以下两步：

（1）检测材料常规运行状态下，即恒定温度、压力、流量条件下钢材料的形变特征。检测材料常规运行条件下的疲劳、损伤情况;

（2）检测蒸汽压力条件下的抗气锤效应特征，阀门开关时间设定为6 s，阀门形式为电动螺杆式闸阀，连续开合阀门一定次数后，观察材料常规运行条件下的疲劳、损伤情况[7]。

数据比较分析过程使用SPSS数据分析软件辅助进行，其中：回归分析使用R2校验模式，当R2>0.70时认为数据有可置信的关联度，当R2>0.99时认为数据有显著的关联度，且R2值越大，数据关联度越高;差异分析使用双变量t校验模式，当t<10.000时认为数据存在统计学差异，且t值越小，认为数据差异性越大，且同时考察双变量t校验的P值，当P<0.05时，认为比较结果在可置信空间内，当P<0.01时，认为比较结果有显著的统计学意义，且P值越小，认为数据置信度越高[8]。

实际运行环境中，电厂内相关管道一般采用中高强度钢材料DP-460，该研究将该材料管道实际运行参数提取并在仿真环境中构建参照组，以研究高强钢材料AHSS-DP-550的参数优势[9]。

2 常规运行状态高强钢材料的表现

恒定温度、压力、流量条件下，影响管壁结构稳定性的因素包括管道内径、管道壁厚、管道热处理方式、管道锻压方式等诸多其他因素[10]。实际仿真分析过程中，发现：管道内流量增加，动压增加而静压减小，管道常规运行状态下的应力可靠性增加，但此过程对管道的影响较为缓和，所以不展开论述;管道热处理过程，比如锻压过程、回火过程、焊接过程等，均对管道可靠性带来影响，但如果此工艺过程不存在瑕疵，也不会给管道可靠性带来显著影响，所以此处也不展开论述;常规压力、温度条件下的管壁厚度对管道结构稳定性的影响最为剧烈，如图1所示。

由图1可知，考察AHSS-DP-550钢在热锻持续成型管道技术条件下加工管材的持续工况屈服压力，考察管壁厚度为25～45 mm，考察管道内径为600 mm，发现随着温度上升，管道屈服压力随之下降，特别在600℃工况下，当管壁厚度小于34 mm时，系统会在工况压力31.00 MPa下屈服。上述回归曲线，R2值分别为0.993、0.990、0.854，均存在R2>0.70，具有可置信的统计学关联[11]。

该管道在电站内部署的过程中，不能只考察管道在恒定温度、压力、流量条件下的运行状态，还应考察阀门开关过程中的气锤效应，所以必须保留足够的管道厚度余量[12]。对比分析某电站实际应用的DP-460中强度钢材料，输入相关查表参数后，对比其不同温度、压力条件下屈服时的最小厚度，如表1所示。

由表1可知，高强度钢（AHSS-DP-550）与中强度钢（DP-460）相比，考虑到内径600 mm的管道结构，考察不同的管道管壁厚度，以圆环面積计算，在不同温度、压力条件下，分别节约钢材33.30%、33.56%、37.01%。上述比较结果t<10.000，     P<0.01，具有显著的统计学差异[14]。

3 气锤效应下高强钢材料的表现

流体在管道内的流量被阀门等设施截断时，因为流体惯性力的反作用力，会给管道带来瞬时额外压力应力，可能对管道的焊缝、接头、管件等带来冲击破坏作用。因为液体的可压缩性显著低于气体，所以液体带来的水锤效应会显著高于气体带来的气锤效应。电站管道内运行的高温高压气体，可压缩性远低于常压气体，其气锤效应接近水锤效应的影响效果，所以此处应考察不同工况下的气锤效应[15]。即相关文献中指出，在水蒸气的亚临界状态下，以及温度、压力更高的超临界状态下和超超临界状态下，其气体可压缩性接近于零，气锤效应对管道可靠性的影响接近水锤效应[16]。

如前文所述，该研究考察的电站高温高压管道，采用闸阀控制，从全闭到全开及全开到全闭的动作时间均设定为6 s，闸阀节流曲线按照圆形断面割线面积法计算。因为气锤条件的仿真过程也较为复杂，此处不展开论述全部仿真结果，考虑到气锤条件影响后，修正的管壁可靠厚度如表2所示。

表2中，工况厚度沿承前文表1中计算获得恒定温度、压力、流量条件下的最小管壁厚度，最小冗余取值为考虑到气锤效应后的最小管壁厚度，考察不同的管道管壁厚度，以圆环面积计算，不同温度、压力条件下分别节约钢材25.39%、29.26%、42.41%。上述比较结果t<10.000，P<0.01，具有显著的统计学差异。

对比恒定工况条件下的最小管壁厚度和考虑气锤条件下最小管壁厚度，特别比较实用高强度钢后相比较中强度钢的钢材料节约量，会发现实用高强度钢的3点优势：使用高强度钢后，钢材料总消耗量大幅度减少，因为高强度钢的市场价格较中强度钢仅高出15%左右，实际钢材节约量远超过该单价提升量，所以使用高强度钢可以节约建设过程的材料费支出。因为使用高强度钢后节约了大量钢材，关联的钢材冶炼等过程的电能消耗、碳排放等环境保护要素也得到提升。随着温度压力的提升，使用高强度钢的经济性会显著提升，特别是考虑气锤条件后，在高压力、高温度条件下的材料节约量更为显著。

4 结语

该研究停留在仿真分析过程中，仿真目标为锅炉承压管路到汽轮机主控闸阀之间的高温高压管路，该部分管路为亚临界、超临界火力发电站中压力、温度条件最苛刻的管路。经过仿真分析，发现使用高强度钢后，管道内径保持不变的条件下，管道管壁厚度可以大幅度降低，从而节约最高可达42.41%的钢材用量，一方面节约了建设材料费成本，另一方面通过钢材加工关联工艺实现建设项目的绿色节能。

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