超超臨界鍋爐用S30432鋼管的國產化試驗及其應用

楊華春, 彭芳芳, 楊金炳

(東方鍋爐(集團)股份有限公司,自貢 643001)

S30432鋼管系ASME SA-213M(2008補遺)標準中的鋼號,是在18-8型不銹耐熱鋼基礎上加入Cu、Nb、N和B等元素,形成了固溶、沉淀與晶界強化等多種強化效果,從而得到的一種具有很高許用應力、主要用于超(超)臨界鍋爐過熱器和再熱器的新型18-8奧氏體不銹耐熱鋼.這種材質的鋼管已在國內外超超臨界鍋爐中得到廣泛應用.

早期,該鋼管僅限于國外少數廠家生產,且產量有限,無法滿足市場需求.為降低原材料采購成本、打破國外壟斷和促進我國電力事業發展,加快推進該鋼管國產化的步伐勢在必行.因此,在對國外鋼管研究的基礎上,自2003年起,國內即著手積極研究S30432鋼管的國產化,先后對國外標準、技術交流資料與實物鋼管進行了分析、冶煉試制、制管工藝試驗以及性能方面的試驗研究,目前國內已經形成了S30432鋼管的批量生產能力.

1 對國外鋼管的基礎調研

針對國內鍋爐用鋼的具體要求,綜合分析國外技術資料、鋼管實物和相近鋼種的開發情況以及國內早期試制結果與存在的問題,提出了S30432鋼管國產化的基礎調研重點.

1.1 化學成分優化

ASM ESA-213M(2008補遺)標準中S30432鋼的化學成分和國內的優化成分均列于表1.化學成分決定鋼的性能,要取得S30432鋼管的最佳性能組合,必須對其成分進行優化并控制.

從表1可看出:標準成分范圍相當寬,而優化成分控制范圍要比標準嚴得多,并在其中增加了少量Mo元素,這主要基于各元素作用特點[1-3]、實物管剖析及國內研究[4].

表1 S30432鋼管的化學成分Tab.1 Chem ica l com position o f S30432 steel tubes %

1.2 金相組織

在高溫下應用時,S30432鋼的組織及其穩定性極為重要.但是,在 ASME Code Case 2328-1以及ASM E SA-213M標準中,均未提到金相組織要求,只提到應在不低于1 100℃溫度下進行固溶處理.但對國外實物管的分析結果卻表明:固溶處理后的金相組織應為奧氏體+均勻分布的微細第二相.

1.3 晶粒度

在上述標準中同樣未提到鋼管晶粒度要求,但從鋼管的高溫用途分析可知:采用細晶粒后高溫抗氧化性能更佳.結合國外實物管的分析結果及實際運行工況,筆者提出鋼管的晶粒度控制應為:7級或更細.

1.4 晶間腐蝕

對于超超臨界鍋爐用高溫不銹耐熱鋼,通過晶間腐蝕試驗并非為強制要求.因而,在S30432鋼管國產化時,首先其成分、常規性能以及高溫性能等應符合規范要求,然后再考慮其弱化腐蝕傾向.

1.5 制管與熱處理工藝

Nb(C、N)在普通固溶處理溫度下難溶于奧氏體,因此國外奧氏體不銹鋼生產大多采用熱擠壓制管,結合國內不銹鋼管企業的設備條件,提出優化制管工藝[5],并得到了驗證,其制管工藝為:1 200℃以上高溫軟化處理+高壓比冷軋+稍低溫度的固溶處理.

2 S30432制管工藝的優化試驗

對制成最終成品管尺寸前的坯管,采用以下2種工藝制管:①1 230～1 250℃高溫軟化+冷軋+1 150～1 170℃固溶(簡稱高溫軟化+固溶);②1 170℃低溫軟化+冷軋+1 150～1 170℃固溶(簡稱低溫軟化+固溶),然后再進行對比性微觀分析和部分性能試驗[6].

2.1 試驗結果

2.1.1 微觀分析

圖1為S30432鋼管在上述2種制管工藝狀態下的金相組織.圖2為S30432鋼管在不同制管工藝狀態下的掃描電鏡特征.

圖1 不同制管工藝狀態下S30432鋼管的金相組織Fig.1 Microstructures of S30432 steel tubes by different processes of heat-treatment

圖2 不同制管工藝狀態下S30432鋼管的掃描電鏡特征照片Fig.2 SEM images of S30432 steel tubes by different processes of heat-treatment

從圖1(a)可知:在高溫軟化+固溶制管工藝下,晶粒均勻細小,基體內的第二相質點也較小,而圖1(b)則顯示出在低溫軟化+固溶制管工藝下,晶粒大小和均勻性不佳,基體內存在較多、較粗且有沿晶分布傾向的第二相質點.這些金相組織特征與圖2中對應狀態的掃描特征完全符合,表明高溫軟化對鈮中的碳和氮化物有明顯的固溶作用,為后期冷軋和較低溫度重新固溶處理時第二相的彌散析出建立了良好的基礎.

2.1.2 性能

表2給出了低溫軟化+固溶和高溫軟化+固溶2種制管工藝狀態下S30432鋼管的性能.

表2 不同制管工藝狀態下S30432鋼管的性能Tab.2 Mechanical properties of S30432 steel tubes by two different processes of heat-treatment

從表2可看出:經過高溫軟化+固溶的成品管,其屈服強度和硬度相對較高且斷后伸長率也較大,同時其高溫性能有所提高.

2.2 制管工藝的研究結果

采用高溫軟化+固溶制管工藝生產的S30432鋼管,無論其顯微特征還是性能均優于低溫軟化+固溶制管工藝生產的管子,為后期管子試制打下了基礎.

3 S30432鋼管的性能試驗

對采用優化工藝試制的S30432鋼管進行了性能試驗,包括化學成分、金相特征、力學性能、晶間腐蝕以及持久性能等,其結果均符合標準要求.筆者主要介紹對高溫用鋼極為重要的持久試驗驗證結果,并將其與國外數據進行了對比.

3.1 試驗方法

按GB/T 2339—1997標準《金屬拉伸蠕變及持久強度試驗方法》對試制S30432鋼管取樣進行高溫持久試驗,試驗溫度為700℃,并對試驗數據點進行擬合外推,以對試制鋼管的長期持久性能進行評定,驗證其是否滿足標準要求.

3.2 結果與分析

對試制管持久試驗數據點進行雙對數擬合外推,得到國產 S30432鋼管 1×105h持久強度為69.3～76.9MPa,在 ASME Code Case標準規定值(平均值70.4 MPa)附近,遠高于標準規定的最小值(57 MPa)要求.

為了判斷國產鋼性能是否達到國外水平,筆者將國內試驗數據點與國外數據點分散帶進行了比較(圖3).從圖3可看出:國內數據均處于國外試驗數據分散帶之上,說明國內試制的S30432鋼管的持久性能滿足要求.

圖3 國產S30432鋼管持久數據與國外鋼管的對比(700℃)Fig.3 Comparison of creep-rupture strength between domestic and overseas tubes(700℃)

4 焊接工藝試驗分析

為評價試制S30432鋼管的焊接性能,采用熱絲TIG焊、φ1.0 mm的YT-304H焊絲進行焊接試驗后,取樣對接頭進行拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、硬度試驗和金相觀察.結果表明:各接頭室溫抗拉強度均大于母材要求的最低抗拉強度(試驗結果為635～685M Pa,均高于590 MPa),各接頭短時高溫強度與母材在相應溫度下的強度相當,但沖擊功較高(均不低于100 J),90°彎曲試驗未出現開裂,接頭焊縫、熱影響區及母材的硬度差不超過40 HV,接頭的金相組織均為奧氏體+第二相,熱影響區晶粒度為4～5級,表明國產S30432鋼管具有較好的焊接性能.

5 應 用

目前,國內多家不銹鋼管制造公司嚴格按優化工藝生產的S30432鋼管已向鍋爐制造公司供貨,如武進不銹鋼廠集團有限公司和江蘇銀環精密鋼管有限公司向東方鍋爐(集團)股份有限公司供貨;常熟華新特殊鋼有限公司和浙江久立特材有限公司向哈爾濱鍋爐廠有限責任公司供貨,均用于國內超超臨界鍋爐部分關鍵部件的制造.目前,國產S30432鋼管在實際工程中得到良好應用,而且在由東方鍋爐(集團)股份有限公司制造的信陽工程660 MW超超臨界鍋爐上已經穩定運行了9個多月.

6 結 語

國內成功試制生產的S30432鋼管不僅解決了進口鋼管存在的交貨周期和價格問題,保證了我國發電設備制造企業的生產周期,降低了采購成本,而且打破了國外對此鋼管的技術封鎖,同時,對國內鋼管制造企業的技術改造、產品的升級換代也起著積極的推動作用.

[1] 朱日彰,盧亞軒.耐熱鋼和高溫合金[M].北京:化學工業出版社,1996.

[2] 徐幫學.耐熱鋼和高溫合金生產加工及應用技術手冊[M].北京:冶金工業出版社,2007.

[3] 孟繁茂,付俊巖.現代含鈮不銹鋼[M].北京:冶金工業出版社,2004.

[4] 彭芳芳,朱國良,宋建新.超超臨界機組用SUPER-304H鋼管國產化關鍵制造工藝分析[J].動力工程,2008,28(5):803-806.

[5] 楊華春,楊金炳.超超臨界鍋爐用SUPER304H鋼管國產化技術現狀[C]//第二屆超(超)臨界鍋爐用鋼及焊接技術會議.西安:電力行業電力鍋爐壓力容器安全監督管理委員會、超(超)臨界鍋爐用鋼及焊接技術協作網,2007.

[6] YANG Huachun,WANG Huaqian,LU Zhengxin,et a l.Effect of softening temperature on micros-tructure and properties of S30432 austenitic heat-resistant steel tube for USC Boiler[C]//Proceedings of Fracture Mechanics and Structural Integrity-Transferability and Applicability of Current Mechanics Approaches.Shanghai:East China University o f Science and Technology Press,2009.