超超临界锅炉用S30432钢管的国产化试验及其应用

杨华春, 彭芳芳, 杨金炳

(东方锅炉(集团)股份有限公司,自贡 643001)

S30432钢管系ASME SA-213M(2008补遗)标准中的钢号,是在18-8型不锈耐热钢基础上加入Cu、Nb、N和B等元素,形成了固溶、沉淀与晶界强化等多种强化效果,从而得到的一种具有很高许用应力、主要用于超(超)临界锅炉过热器和再热器的新型18-8奥氏体不锈耐热钢.这种材质的钢管已在国内外超超临界锅炉中得到广泛应用.

早期,该钢管仅限于国外少数厂家生产,且产量有限,无法满足市场需求.为降低原材料采购成本、打破国外垄断和促进我国电力事业发展,加快推进该钢管国产化的步伐势在必行.因此,在对国外钢管研究的基础上,自2003年起,国内即着手积极研究S30432钢管的国产化,先后对国外标准、技术交流资料与实物钢管进行了分析、冶炼试制、制管工艺试验以及性能方面的试验研究,目前国内已经形成了S30432钢管的批量生产能力.

1 对国外钢管的基础调研

针对国内锅炉用钢的具体要求,综合分析国外技术资料、钢管实物和相近钢种的开发情况以及国内早期试制结果与存在的问题,提出了S30432钢管国产化的基础调研重点.

1.1 化学成分优化

ASM ESA-213M(2008补遗)标准中S30432钢的化学成分和国内的优化成分均列于表1.化学成分决定钢的性能,要取得S30432钢管的最佳性能组合,必须对其成分进行优化并控制.

从表1可看出:标准成分范围相当宽,而优化成分控制范围要比标准严得多,并在其中增加了少量Mo元素,这主要基于各元素作用特点[1-3]、实物管剖析及国内研究[4].

表1 S30432钢管的化学成分Tab.1 Chem ica l com position o f S30432 steel tubes %

1.2 金相组织

在高温下应用时,S30432钢的组织及其稳定性极为重要.但是,在 ASME Code Case 2328-1以及ASM E SA-213M标准中,均未提到金相组织要求,只提到应在不低于1 100℃温度下进行固溶处理.但对国外实物管的分析结果却表明:固溶处理后的金相组织应为奥氏体+均匀分布的微细第二相.

1.3 晶粒度

在上述标准中同样未提到钢管晶粒度要求,但从钢管的高温用途分析可知:采用细晶粒后高温抗氧化性能更佳.结合国外实物管的分析结果及实际运行工况,笔者提出钢管的晶粒度控制应为:7级或更细.

1.4 晶间腐蚀

对于超超临界锅炉用高温不锈耐热钢,通过晶间腐蚀试验并非为强制要求.因而,在S30432钢管国产化时,首先其成分、常规性能以及高温性能等应符合规范要求,然后再考虑其弱化腐蚀倾向.

1.5 制管与热处理工艺

Nb(C、N)在普通固溶处理温度下难溶于奥氏体,因此国外奥氏体不锈钢生产大多采用热挤压制管,结合国内不锈钢管企业的设备条件,提出优化制管工艺[5],并得到了验证,其制管工艺为:1 200℃以上高温软化处理+高压比冷轧+稍低温度的固溶处理.

2 S30432制管工艺的优化试验

对制成最终成品管尺寸前的坯管,采用以下2种工艺制管:①1 230～1 250℃高温软化+冷轧+1 150～1 170℃固溶(简称高温软化+固溶);②1 170℃低温软化+冷轧+1 150～1 170℃固溶(简称低温软化+固溶),然后再进行对比性微观分析和部分性能试验[6].

2.1 试验结果

2.1.1 微观分析

图1为S30432钢管在上述2种制管工艺状态下的金相组织.图2为S30432钢管在不同制管工艺状态下的扫描电镜特征.

图1 不同制管工艺状态下S30432钢管的金相组织Fig.1 Microstructures of S30432 steel tubes by different processes of heat-treatment

图2 不同制管工艺状态下S30432钢管的扫描电镜特征照片Fig.2 SEM images of S30432 steel tubes by different processes of heat-treatment

从图1(a)可知:在高温软化+固溶制管工艺下,晶粒均匀细小,基体内的第二相质点也较小,而图1(b)则显示出在低温软化+固溶制管工艺下,晶粒大小和均匀性不佳,基体内存在较多、较粗且有沿晶分布倾向的第二相质点.这些金相组织特征与图2中对应状态的扫描特征完全符合,表明高温软化对铌中的碳和氮化物有明显的固溶作用,为后期冷轧和较低温度重新固溶处理时第二相的弥散析出建立了良好的基础.

2.1.2 性能

表2给出了低温软化+固溶和高温软化+固溶2种制管工艺状态下S30432钢管的性能.

表2 不同制管工艺状态下S30432钢管的性能Tab.2 Mechanical properties of S30432 steel tubes by two different processes of heat-treatment

从表2可看出:经过高温软化+固溶的成品管,其屈服强度和硬度相对较高且断后伸长率也较大,同时其高温性能有所提高.

2.2 制管工艺的研究结果

采用高温软化+固溶制管工艺生产的S30432钢管,无论其显微特征还是性能均优于低温软化+固溶制管工艺生产的管子,为后期管子试制打下了基础.

3 S30432钢管的性能试验

对采用优化工艺试制的S30432钢管进行了性能试验,包括化学成分、金相特征、力学性能、晶间腐蚀以及持久性能等,其结果均符合标准要求.笔者主要介绍对高温用钢极为重要的持久试验验证结果,并将其与国外数据进行了对比.

3.1 试验方法

按GB/T 2339—1997标准《金属拉伸蠕变及持久强度试验方法》对试制S30432钢管取样进行高温持久试验,试验温度为700℃,并对试验数据点进行拟合外推,以对试制钢管的长期持久性能进行评定,验证其是否满足标准要求.

3.2 结果与分析

对试制管持久试验数据点进行双对数拟合外推,得到国产 S30432钢管 1×105h持久强度为69.3～76.9MPa,在 ASME Code Case标准规定值(平均值70.4 MPa)附近,远高于标准规定的最小值(57 MPa)要求.

为了判断国产钢性能是否达到国外水平,笔者将国内试验数据点与国外数据点分散带进行了比较(图3).从图3可看出:国内数据均处于国外试验数据分散带之上,说明国内试制的S30432钢管的持久性能满足要求.

图3 国产S30432钢管持久数据与国外钢管的对比(700℃)Fig.3 Comparison of creep-rupture strength between domestic and overseas tubes(700℃)

4 焊接工艺试验分析

为评价试制S30432钢管的焊接性能,采用热丝TIG焊、φ1.0 mm的YT-304H焊丝进行焊接试验后,取样对接头进行拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、硬度试验和金相观察.结果表明:各接头室温抗拉强度均大于母材要求的最低抗拉强度(试验结果为635～685M Pa,均高于590 MPa),各接头短时高温强度与母材在相应温度下的强度相当,但冲击功较高(均不低于100 J),90°弯曲试验未出现开裂,接头焊缝、热影响区及母材的硬度差不超过40 HV,接头的金相组织均为奥氏体+第二相,热影响区晶粒度为4～5级,表明国产S30432钢管具有较好的焊接性能.

5 应 用

目前,国内多家不锈钢管制造公司严格按优化工艺生产的S30432钢管已向锅炉制造公司供货,如武进不锈钢厂集团有限公司和江苏银环精密钢管有限公司向东方锅炉(集团)股份有限公司供货;常熟华新特殊钢有限公司和浙江久立特材有限公司向哈尔滨锅炉厂有限责任公司供货,均用于国内超超临界锅炉部分关键部件的制造.目前,国产S30432钢管在实际工程中得到良好应用,而且在由东方锅炉(集团)股份有限公司制造的信阳工程660 MW超超临界锅炉上已经稳定运行了9个多月.

6 结 语

国内成功试制生产的S30432钢管不仅解决了进口钢管存在的交货周期和价格问题,保证了我国发电设备制造企业的生产周期,降低了采购成本,而且打破了国外对此钢管的技术封锁,同时,对国内钢管制造企业的技术改造、产品的升级换代也起着积极的推动作用.

[1] 朱日彰,卢亚轩.耐热钢和高温合金[M].北京:化学工业出版社,1996.

[2] 徐帮学.耐热钢和高温合金生产加工及应用技术手册[M].北京:冶金工业出版社,2007.

[3] 孟繁茂,付俊岩.现代含铌不锈钢[M].北京:冶金工业出版社,2004.

[4] 彭芳芳,朱国良,宋建新.超超临界机组用SUPER-304H钢管国产化关键制造工艺分析[J].动力工程,2008,28(5):803-806.

[5] 杨华春,杨金炳.超超临界锅炉用SUPER304H钢管国产化技术现状[C]//第二届超(超)临界锅炉用钢及焊接技术会议.西安:电力行业电力锅炉压力容器安全监督管理委员会、超(超)临界锅炉用钢及焊接技术协作网,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.