目前新建的亚临界机组中，主蒸汽管道及再热蒸汽管道热段的材料已用P91钢代替P22钢。为此，从化学元素、室温力学性能、许用应力及蠕变强度、线膨胀系数和导热率、焊接性能方面分析比较P91钢和P22钢，说明P91钢更具优越性。最后通过在工程上的实际应用，进一步说明采用P91钢能节省管材，方便设计、安装，经济效益非常显著。
高温、高压管道材料是火力发电厂最重要的用材之一，它不仅对电厂的安全运行起着重要的作用，而且也影响电厂的建设投资。过去国内的600 MW机组工程，主蒸汽管道及再热蒸汽管道热段的管材均选用 A335P22 管材。A335P22 钢的特点是工艺性能良好，对热处理的加热温度不太敏感，焊接性能也好，具有良好的塑性，最大的缺点是强度较低，尤其是高温持久强度比 12Cr1MoV 钢低，在相同温度、应力下使用时，其管壁厚度要比 12Cr1MoV 钢厚约30%。汽水管道壁厚过大，不仅增加制造上的困难，而且也给设计、安装和运行带来不便。20世纪80年代，美国推出了 A335P91 管材，由于该管材比P22钢材具有更好的高温性能，它的推出马上得到世界各国的关注。在压力、温度、内径相同的情况下，主蒸汽管道及再热热段管道采用P91钢代替P22钢，壁厚可减少一半左右，管道管件如直角三通的用量可降低约65%。
1 P91钢的特性
在以往的工程中，超高压125 MW及200 MW机组的主蒸汽管道选用 10 CrMo910 钢；20世纪70年代末到80年代，引进了亚临界300 MW及600 MW机组，其主蒸汽管道选用 A335P22 钢，这两种钢材性能相当，它们都属于珠光体耐热钢，最高工作温度为580～590 ℃，温度再高时只能选用奥氏体耐热钢，奥氏体钢最高工作温度达700 ℃，但这种钢的热膨胀性较高，对应力腐蚀敏感，异种钢接头寿命短，不适合用于高温、高压汽水管道。
P91钢是为了填补珠光体耐热钢和奥氏体耐热钢之间600～650 ℃温度区域使用的新汽水管道用钢，属于马氏体耐热钢, 其最高使用温度为650 ℃，实际上在原9Cr-1Mo钢基础上加进V，Nb，N等强化元素，形成一种变质新钢种。
P91和P22钢元素的质量分数
P91，P22 钢主要元素的质量分数见表1。钢中元素S是硫化物夹杂的主要来源，易产生赤热脆性；元素P则主要影响回火脆性、热脆性，因此，钢中S和P的质量分数要低；V，Nb 及N属于强化元素，可提高钢材的强度；Cr，Si 等元素可使金属在高温运行时生成的氧化膜致密而牢固，提高钢材的抗氧化性。从表1可以看出，P91 钢的有害元素的质量分数较低，抗氧化性较高，又增加了强化元素，是一种优于P22钢的高温、高压管材。
P91 钢可按现有方法进行电弧焊接，包括可用氩弧焊接（TIG）方法进行焊接。焊条和焊剂的选择，应当尽量使焊缝和母材的化学成分一致或接近，使焊接金属具有与母材相同或更好的蠕变和持久强度。由于该钢对热裂纹不敏感，施焊前预热到150～200 ℃时也不会出现裂纹，并可与各种钢，如P22钢（珠光体耐热钢）、X20CrMoV121（马氏体耐热钢）和TP304H（奥氏体耐热钢）等钢焊接，以下介绍P91钢的焊接情况：
a) P91 钢和 P91 钢焊接时，可选用9Cr-1Mo(T9)或改进的9Cr-1Mo(T91)焊条，壁厚大于25 mm 的管道采用后者，预热温度为200 ℃，焊接后缓慢冷却到室温，然后在730 ℃以上温度回火；
b) P91 钢与 10CrMo910 焊接时，焊接材料要与 10CrMo910 相匹配， 730 ℃时应力释放后应在空气中冷却2 h，由于这两种材料焊接部位有一个脱碳区，若采用 10CrMo910 焊条焊接，要保证焊接金属的含碳量够高，以满足持久强度的要求；
c) P91 钢与 P22 钢焊接时，焊条可选用 2.25Cr-1Mo 焊条，预热温度为200 ℃，焊接后缓慢冷却到室温，然后在700～725 ℃下回火，也可先在P91钢侧堆焊 5Cr1-1Mo 焊条,然后再与 P22 钢焊接；
d) P91 钢与 X20CrMoV121 焊接时，要用两者相匹配的焊接材料，如 P91 钢焊条，预热温度为250 ℃，焊后缓慢冷却到80～100 ℃，在750 ℃以上温度回火；
e) P91 钢与 TP304H 焊接时，用 Inconel 182Ni 基合金焊条，预热温度为200 ℃，焊后冷却到室温，在700～730 ℃回火。
以上焊后的热处理温度取决管子壁厚，小直径管道处理0.5 h，大直径管道以壁厚每25 mm处理1 h。由于 P91 蠕变强度高，在同样条件下，管道壁厚比采用 P22 钢要薄，焊缝填充金属量相对要少，但 P91 钢对焊缝 IV 型裂纹敏感，因此，要尽量减少 P91 钢材中的系统应力，对壁厚大于12.5 mm的管道，要求在焊后冷到100 ℃以上即回火。
目前， P91 钢材已用于丹东电厂（2×350 MW）、鸭河口电厂（2×350 MW）、盐城电厂（6×500 MW）、聊城电厂（2×660 MW）、洛磺电厂（2×350 MW）、珠海电厂（2×700 MW）、邹县电厂（2×600 MW）、梅洲湾电厂（2×300 MW）、外高桥电厂（2×900MW）等工程中。河北电力勘测设计研究院参与设计的邯峰电厂（2×660 MW）主汽管道也采用了 P91 钢材，该单位曾对管道采用 P91 钢和 P22 钢材的不同情况作了比较，得出的结论是：由于 P91 钢材管道壁厚减薄，比采用 P22 钢材减少用材量40%以上，从而节省材料费、安装费30%以上，如表5所示。由于管道自重减轻，支吊架荷重也相应减小，支吊方便，设计、安装也方便，不但节省支吊架造价，也节省土建费用，经济效益很可观。
从以上分析可知，与以往采用 P22 钢相比，P91 钢具有许多优点：化学成分更好，机械性能、高温性能优越，加工性能、焊接性能好。由于 P91 钢的这些优点，在亚临界机组中，主蒸汽管道采用 P91 钢代替 P22 钢，可节省工程投资，也给设计、安装带来方便。新建的大容量机组，需满足21世纪示范电厂的设计思想——技术先进又要控制工程造价。因此，新建的大容量机组大胆采用P91管材，是符合21世纪示范电厂的设计思想。
