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超超临界锅炉用S30432不锈钢管国产化试验研究及应用
发布者:不锈钢管厂(www.zjhstg.com) 发布时间:2020/5/3 阅读:339

  为加速国外高等级耐热钢管国产化进程,满足国内超超临界锅炉大力发展的需要,国内锅炉行业结合锅炉规程的要求、国内钢铁行业设备能力和电力行业实际,汇同钢铁行业一起对ASME SA-213(2008补遗)中的S30432奥氏体耐热不锈钢管进行了国产化试验研究,并获得成功。浙江宏盛特钢有限公司介绍了S30432不锈钢管国产化时,所做的国外不锈钢管基础调研分析、国内对S30432不锈钢管开发时制管工艺优化试验、性能试验研究(特别是持久试验验证)和焊接性能试验研究等结果,以及对国内不锈钢管厂依据工艺优化试验结论而批量生产的国产S30432不锈钢管与进口钢管的成分、性能特征的对比统计分析。结果表明:国产的S30432不锈钢管满足ASME规范的要求,也达到国外同类产品实物质量水平。文中也介绍了国产S30432不锈钢管在国内超超临界工程中锅炉上的实际应用情况。

 


 S30432不锈钢管系ASME SA-213M(2008补遗)标准中的钢号,原系由日本在18-8型不锈耐热钢基础上,通过加入约Cu、Nb、N、B等元素,集固溶强化、沉淀强化与晶界强化的多重强化效果于一体,从而得到很高许用应力、主要用于超(超)临界锅炉过热器和再热器的一种新型18-8奥氏体不锈耐热钢管。我国GB5310-2008中也列入了此钢,名称为10Cr18Ni9NbCu3BN。该钢目前已作为我国锅炉用钢系列中一个重要钢种,在国内超超临界锅炉中得到广泛应用。 然而,能生产该不锈钢管厂家仅有日本住友与欧洲DMV公司,其产能有限,无法满足市场需求。从降低我国锅炉制造业的原材料采购成本、缩短交货周期,以及振兴民族工业角度来看,该钢管的国产化对国内冶金、锅炉、电力行业的发展具有重要意义。 有鉴于此,在国内早期对国外钢管研究的基础上,结合国内实际情况,国内锅炉行业自2003年起,汇同钢铁行业积极推动S30432不锈钢管的国产化进程。先后经历了对国外标准、技术交流资料与实物钢管的分析、冶炼试制、制管工艺试验研究、性能试验研究阶段,现国内已形成了批量生产能力。浙江宏盛特钢有限公司简要介绍S30432不锈钢管国产化所做的主要工作、国内外S30432不锈钢管性能对比及国产钢管在工程中的实际应用。

 

一、对国外钢管的基础调研要点

  针对锅炉用钢具体要求和行业实际,综合分析国外技术资料、钢管实物及相近钢种的开发情况和国内早期试制的结果及存在问题,提炼出此钢管的可能要点如下。

 

 1. 化学成分优化

  ASME SA-213(2008补遗)规范对S30432不锈钢的化学成分要求和国内的优化成分均列于表。化学成分决定钢的性能,标准只对其做了一定范围限制,而要想取得最佳性能组合,须对成分进行优化并控制。从表可看出,规范成分范围相当宽,而优化成分控制范围较规范严得多,并增加少量Mo。这主要基于各元素作用特点,实物管剖析以及国内研究。 碳含量处于下限,可改善焊接性与抗腐蚀性;氮含量处于上限,可补偿碳量减少导致高温强度下降和奥氏体相不稳定,进一步提高抗腐蚀性;铌含量处于中上限,可形成稳定的NbN和NbCrN,起到强化作用;钼含量在规范中未提到,但国外实物管中均能检测到,由于其能提高钢的持久强度、抑制渗碳体的聚集、促进弥散的特殊碳化物析出,因而加以考虑。

 

 2. 金相组织

 在对钢材性能的各种影响因素中,金相显微特征极其重要,特别是在高温用钢在高温下应用时的组织及其稳定性。然而,在ASME Code case 2328-1以及ASME SA-213标准中,并未有金相组织要求,只是提到应在不低于1100℃的温度下进行固溶处理。一般认为,作为奥氏体钢,经过固溶处理后的金相组织应为奥氏体。然而,在S30432不锈钢中有不少强化元素,不会为单纯的奥氏体;对国外实物管的解剖分析也是如此。 其经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。

 

 3. 晶粒度

 规范中同样未提不锈钢管晶粒度要求,各资料中也未明确晶粒度要求。但从高温用途来分析,采用细晶粒,可得到更佳高温抗氧化性。 晶粒度应为:7级或更细。

 

 4.晶间腐蚀

  在ASME SA-213 2008补遗中未对不锈耐热钢的晶间腐蚀做出规定,而在实际运行工况下并没有晶间腐蚀环境,故该性能并非强制要求;我国的锅炉规程也只是提到对新研制的钢种应提供晶间腐蚀数据,对国产化钢种只要求按国外标准进行生产。 实际上,不锈耐热钢的晶间腐蚀与成分有关。在锅炉用钢的国产化时,首先其成分、常规性能和高温性能等应满足规范的要求,再考虑其它性能。

 

 5.制管及热处理工艺

 由于Nb(CN)在普通固溶处理温度下难溶于奥氏体,故结合国外奥氏体不锈钢生产多采用热挤压及国内不锈钢管企业设备实际,提出优化制管工艺,并得到验证。 即:1200℃以上高温软化处理+高比例冷轧+稍低温度的固溶处理。


 

二、S30432不锈钢制管工艺优化试验简述

   对制成最终成品管尺寸前的坯管,采用:1230~1250℃高温软化+冷轧+1150~1170℃固溶(简称“高温软化+固溶”)与1170℃低温软化+冷轧+1150~1170℃固溶(简称“低温软化+固溶”)制管,再进行对比性微观分析和部分性能试验。

 

 1.试验结果

  a.微观分析

  图为两种状态下的金相组织,图则为扫描电镜特征。图表明“高温软化+固溶”晶粒均匀细小,基体内的第二相质点也较小;图则显示“低温软化+固溶”晶粒大小均匀性不佳,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中对应状态的扫描特征完全符合。这表明高温软化对铌的碳、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的第二相弥散析出打下了良好的基础。

 b.性能

 表给出了低温软化+固溶和高温软化+固溶的两种状态管子的性能。 从表中可以看出,经过了高温软化+固溶的成品管,其屈服强度和硬度相对高些、断后伸长率也不低,同时高温性能有所提高。

 

 2.制管工艺研究小结

  采用高温软化+固溶生产的管子,无论其显微特征还是性能均优于低温软化+固溶工艺的管子。这为后期的管子试制打下了基础。

 

三、性能试验研究

  对按优化工艺试制的钢管进行性能试验研究,包括化学成分、金相特征、力学性能、晶间腐蚀试验、持久性能等等,均符合标准要求,在此不一一细述。这里主要介绍对高温用钢极为重要的持久试验验证结果,并与国外数据对比。

 

 1.持久试验

  按GB/T2339-1997标准《金属拉伸蠕变及持久强度试验方法》对试制S30432不锈钢样管取样进行高温持久试验,试验温度为700℃;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。

 

 2.持久试验结果分析

 对试制管持久试验数据点,进行双对数拟合外推10万小时持久强度,结果见表。 从表可知,国产S30432不锈钢管持久试验结果外推值均在标准规定值附近,远高于标准规定最小值的要求。 为更加准确地判断国产钢性能是否达到国外水平,将国内试验数据点与国外数据点所制分散带比较,示于图。从图中可以看出,国内数据均处于国外试验数据下分散带之上,说明国内试制的管子的持久性能满足要求。

 

四、焊接工艺试验研究

 为评价试制不锈钢管的焊接性能,采用热丝TIG焊、焊材为Φ1.0的YT-304H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、硬度试验和金相检测。 试验结果表明,各接头室温抗拉强度均大于母材要求的最低抗拉强度(试验结果在635~685MPa间,均高于590MPa)、各接头短时高温强度与母材在相应温度强度相当、冲击功也较高(均不低于100J)、90°弯曲试验也未开裂,接头焊缝、热影响区和母材硬度差不超过40HV,接头金相组织均为奥氏体+第二相,热影响区晶粒度为4-5级。 这表明,国产的S30432不锈钢管具有较好的焊接性能。

 

五、国产管与进口管对比分析

  由于资源原因,东方锅炉所使用的S30432不锈钢管,在国内主要从武进公司(以下简称“武进”)采购,从国外则从DMV公司(以下简称“DMV”)采购。下面以东锅为例,对DMV(118批次)和武进(225批次)管子特性进行了对比分析。

 

 1.化学成分对比

 对关键元素C、Cr、Ni、Cu、Nb、N的含量进行对比分析结果如图所示。 由图可以看出,除了Cu相近外,国产管的C量更低,Cr、Ni、N、Nb均要高些,更接近于表中的优化成分。

 

 2.力学性能对比

 力学性能数据对比见图所示,由图可以得出:在强度指标方面,武进比DMV略低,但武进的强度多批次分布更稳定;塑性方面武进比DMV略高。

 

 3.晶粒度对比

  图为晶粒度对比图,由其可以得出,武进和DMV所供钢管的晶粒度绝大部分都在8-8.5级,二者相差不大。

 

 4.对比小结

  通过上述的对比分析可以看出:以武进为代表的国产S30432不锈钢管性能稳定,各项指标与DMV所供产品相当甚至更好,能够满足规范要求。

 

六、应用情况

  现在,国内多家不锈钢管制造公司严格按优化工艺生产的S30432不锈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有限责任公司供货,用于国内超超临界锅炉的部分关键部件的制造。
目前,在实际工程中得以良好应用,并在实际运行的是东方锅炉的信阳工程660MW超超临界锅炉,到现在已经成功运行半年。

 

七、结语

  多家不锈钢管公司试制的ASME SA-213 S30432不锈钢管通过行业组织的技术评审表明,该钢管的国产化已经取得成功;同时,国内外管子的技术数据对比分析表明,国内生产的S30432不锈钢管达到了国外钢管的水平。 应该说,国内成功试制生产S30432不锈钢管,不仅解决了进口不锈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,降低采购成本也打破了国外对此钢管的技术封锁;而且对国内不锈钢管制造企业的技术改造、产品的升级换代有明显的推动作用。

 

 

 
 

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