超临界超超临界锅炉钢管标准的对比研究

超临界超超临界锅炉钢管标准的对比研究

0锅炉材料标准20世纪的能源发电技术取得了辉煌的成就。能源发电已经成为能源转化和使用的主要方式，已成为国家经济发展的象征。同时，它也是人们生活方式不断提高的物质基础。提高火力发电机组的运行参数,是实现电能生产高效、洁净、经济、可靠、安全要求的最重要途径之一。经过几十年的发展,超临界火力发电已经是一种比较成熟的先进技术,但随着蒸汽温度和压力的提高,锅炉中的关键材料——锅炉钢管,成为影响火力发电机组可靠性的主要因素。近20年来,美国、日本及欧洲发达国家在新材料技术开发方面进行了大量的试验研究工作,开发了一批性能优异的新型钢种。用这些新型钢种制造的钢管,在许多国家的大型电站锅炉中被广泛使用,并被纳入电站建造规范和钢管产品标准,补充完善了已有的锅炉钢管的标准体系,促进了超临界火力发电技术的发展。材料标准是材料应用的载体。对锅炉制造行业来说,ASME标准无疑是目前世界上最具权威、最先进、最完善的锅炉建造规范和标准。我国的锅炉行业在引进超临界火力发电机组锅炉的制造技术时,几乎无一例外地采用了美国机械工程师协会(ASME)制订、颁布和实施的锅炉压力容器技术规范,它不仅被作为美国标准,同时也被国际上众多国家认可和采用。ASME规范第Ⅱ卷材料篇,主要引用了美国材料试验学会(ASTM)相应的材料标准和材料试验标准。在ASME规范中允许使用的材料一般来说必须按照第Ⅱ卷的材料标准供货。因此,只有认真研究ASME材料标准,并与我国现行锅炉钢管标准进行对照与分析,找出二者之间的差距,才能建立适合我国超临界火力发电机组发展的完善的锅炉钢管标准体系。1asme锅炉钢管标准体系我国现行的锅炉钢管标准可分为通用标准和产品标准两层。其中通用标准有2个,产品标准有5个(3个国家标准和2个冶金行业标准)。ASME规范第Ⅱ卷材料A篇(铁基材料)中,常用的有关锅炉钢管标准有19个(不包括锅炉辅机专用钢管),按体系也可以分为两层,即通用标准4个、基础标准1个和产品标准14个。其中4个通用标准按照钢管的用途,分为Tube钢管(指满足SA-450/SA-450M《碳素钢、铁素体合金钢和奥氏体合金钢管(T)通用要求》和SA-1016/SA-1016M《铁素体合金钢和奥氏体合金钢管(T)通用要求》的钢管)以及Pipe钢管(指满足SA-530/SA-530M《专门用途碳素钢和合金钢管(P)通用要求》和SA-999/SA-999M《合金钢和不锈钢管(P)通用要求》的钢管)两大类。不同用途的钢管既要符合相应的产品标准要求,也要符合通用标准要求。14个产品标准按照钢管的制造工艺,又可分为轧制无缝钢管、锻造镗孔无缝钢管、离心铸造钢管和焊接钢管等。我国GB与ASME常用锅炉钢管标准体系对照见表1。对照ASME标准可以看出:ASME锅炉钢管标准体系和内容清晰、技术性突出、贸易性明显,充分体现了对锅炉钢管的特殊性能要求,用户在选择和使用上非常方便。因此,现阶段应参考国际先进标准,对我国的锅炉钢管标准及体系加大力度重新予以制(修)订,适时补充同类产品的通用标准,以及与锅炉钢管有关的定义、术语等基础标准,以适应先进的超临界锅炉技术的发展对锅炉钢管的要求。2产品标准不统一ASME锅炉钢管标准的制订是按材料、用途和制造方法加以区分的,标准内容除了规定这一类材料的基本性能外,对具体用途和注意事项,以及协议条款等都有非常详细的规定。而我国锅炉钢管产品标准是将大小口径、尺寸公差、薄壁与厚壁、一般性能和高温性能、试验方法等放在一起表述,对锅炉钢管的特殊性能要求体现不够。为此,建议在以下方面进行完善。2.1产品标准1产品标准内容混乱不同口径和壁厚的钢管在制造、热处理、尺寸公差以及检验方法等方面存在着很大的差异。现行的产品标准在内容上未将大小口径、薄壁与厚壁钢管区分开来,且都偏重于描述小口径钢管的制造检验等技术内容,造成大口径厚壁钢管许多技术条款的空缺。因此,在标准中有必要将大小口径、薄壁与厚壁钢管分开,并分别加以描述和规定。2大口径厚壁锅炉钢管电站锅炉钢管的生产“瓶颈”在于大口径厚壁钢管。目前在大型电站锅炉集箱和管道上使用的许多大口径(外径在600mm以上)、厚壁(壁厚在40mm以上)钢管,受到国内轧管机装备和生产能力的限制,在一定时期内还只得依赖进口。但是有些品种可以采用锻造镗孔的方法制造,以代替部分进口。ASME标准中的锻造钢管主要分为两类:一类是采用普通锻造实芯钢棒经机加工而成,这种钢管只适用于管接头等管件,外径不超过NPS4(114.3mm),如SA-181/SA-181M《一般管道用碳素钢锻件》、SA-182/SA-182M《高温用锻制或轧制合金钢管道法兰、锻制管配件、阀门和零件》等;另一类是钢坯经过较大锻造比的锻造后,采用机加工镗孔的方法制造的大口径厚壁钢管,可用于锅炉集箱和蒸汽管道,如SA-369/SA-369M《高温用碳素钢和铁素体合金钢锻造及镗孔钢管(P)》等。我国现已拥有成熟的锻造镗孔工艺制造大口径厚壁锅炉钢管。例如,武汉重型铸锻厂采用锻坯冲孔、拔伸、机加工的方法,内蒙古北方重工集团采用锻造比∧3的实芯锻坯再经机加工的方法等,制造出了符合锅炉行业要求的大口径厚壁锅炉钢管。我国现已制订了锻造镗孔锅炉钢管的制造、检验和验收标准YB/T4173并将实施。3大口径焊接高压锅炉钢管的可行性采用焊接小口径钢管制造锅炉水冷壁及低温过热器等部件,与轧制无缝钢管相比,可以节约成本。另外在超临界火力发电机组锅炉中,汽水分离器、旁路管道和一些蒸汽输送管道等钢管,外径大多在500mm以上,壁厚一般只有20~30mm,相对而言采用焊接钢管要比无缝钢管更经济合理。现行的YB4102《低中压锅炉用电焊钢管》,在外径、壁厚及技术质量等方面的规定不适合高压以上锅炉钢管使用。因此适时地制订我国大口径焊接高压锅炉钢管的相关标准,显得日臻重要。在焊接钢管标准中,还应有专门条款对所使用的钢板的级别、技术条件以及焊接、热处理、无损检测等方法进行具体严格的规定。4标准适用于高温高压工作条件SA-660《高温用离心铸造碳素钢管》规定的是采用离心铸造工艺生产的碳素钢管,该标准适用于高温高压工作条件,可用于锅炉内的输送管道,可以采用熔化焊、弯曲及其他成型加工的钢管。现阶段ASME尚未批准将离心铸造的合金钢管用于锅炉产品。采用铸造工艺生产钢管,成本低廉、工艺简化,特别是不受尺寸的限制,因此是一种值得借鉴的发展方向。2.2锅炉钢管的核心标准在锅炉钢管产品标准中,GB5310是锅炉行业使用的最重要的冶金产品标准之一,可以算是我国锅炉钢管的核心标准,其水平的高低关系到锅炉钢管质量和锅炉制造的技术水平。对照ASME规范中SA-210/SA-210M、SA-213/SA-213M、SA-335/SA-335M和SA-106等标准,我国锅炉钢管产品标准水平的提高,主要应体现在以下几个方面。1钢管尺寸表的编制应参照ASME规范中的SA-210/SA-210M、SA-213/SA-213M等“Tube”钢管标准,外径以5in(127mm)为限,将大小口径钢管分开描述和规定,并取消篇幅宏大的尺寸表,直接引用GB/T17395《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》。2提高钢的纯净度20世纪60年代以后,大型高炉、氧气转炉、连续铸钢和新型连轧机的投产,使钢铁生产面貌发生了巨大变化,此后出现了炼钢-炉外精炼-连铸三位一体的炼钢流程。钢的纯净度提高到一定程度,可以大幅度提高钢的性能,炉外精炼是降低钢中有害杂质,生产纯净钢的好方法。要生产高性能的锅炉钢管,应紧跟和鼓励采用当前世界上先进的炼钢浇铸技术,采用炉外精炼或电渣重熔,并增加对连铸钢坯的强制性低倍检验,以确保钢坯质量。3钢铁条件限制有色金属(铜、镍、铬等)及一些危害很大的痕量元素(铅、锡、砷、锑、铋)由于炼钢条件的限制,在冶炼过程中无法去除,为了不影响锅炉钢管的理化性能,标准中应对这类元素给予含量限定。氧对钢的质量有很大危害,当采用铝脱氧时,铝会使碳素钢和含钼钢石墨化倾向加大,因此应补充对碳钼钢管的酸溶铝(或总铝)含量的限定。4冷弯试验替代压至试验大口径厚壁钢管的某些工艺性能试验(如压扁试验),取样和试验很不经济,因此应参照ASME标准中的SA-335/SA-335M等“Pipe”钢管标准,对于口径和壁厚之比小于一定值的大口径厚壁钢管,采用冷弯试验替代压扁试验。5金相组织分类按照珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体分类,描述材料的金相组织。这种分类方法也适用于锅炉制造中的异种钢的规定。如果有条件,可增加金相图谱及一些新型材料中对性能有影响的其他相的评级和定量图谱。6高温物理性能要求我国锅炉钢管标准中缺少有关高温基础数据,诸如高温拉伸、蠕变极限、持久强度,以及膨胀系数等高温物理性能的有关标准,可以参照ASME规范第Ⅱ卷D篇《材料性能》的模式,补充有关我国锅炉用钢材料的力学性能和物理性能,包括锅炉设计选材中必须用到的高温规定非比例延伸强度Rp0.2、持久强度等力学性能要求,以及常用的材料相变点、热膨胀系数、弹性模量等物理性能要求。7新型耐热钢材料体系在原标准中已有的材料体系基础上,应前瞻性的研究和引进一些ASME批准的、用于超临界锅炉的一些新型耐热钢材料体系,如T23/P23、T92/P92、E911、T122/P122、TP347HFG、Super304H、HR3C等,形成新的锅炉用耐热钢材料体系。2.3国内新型耐热钢体系的开发为适应火力发电机组向超临界/超超临界的发展,提高材料的高温性能,近20年来,美国、日本以及欧洲发达国家在开发电站新材料技术方面进行了大量的试验研究,以进一步提高铁素体钢的高温持久强度和奥氏体钢的高温强度、抗氧化抗腐蚀性、适用性和经济性等为主要研究方向,充分利用多元复合强化原理,研究开发了许多性能优异的新型钢种。ASME规范随着每三年一次的修订和每年的增补,根据产品需要和冶金技术发展,也会不断纳入和增加代表当今世界最新材料技术水平的新型材料。我国锅炉钢管标准在新型材料的纳标上显得滞后,跟不上锅炉制造技术的发展。现行的GB5310-1995《高压锅炉用无缝钢管》自修订起,就对我国电力事业的发展做出了突出贡献,并带动了我国钢铁行业的技术进步和产品质量的提高。但该标准至今已经使用了10年之久,在材料品种规定方面供用户选择的余地小,特别是超临界锅炉用的高性能钢管材料几乎没有纳入,已不适应锅炉行业的发展,也不利于我国冶金行业技术水平的提升和关键材料的国产化。现阶段获得广泛应用的超临界锅炉用新型材料,主要有铁素体型耐热钢和奥氏体型耐热钢两大类。铁素体型耐热钢一般用于650℃以下锅炉热交换管、集箱和蒸汽管道,分为2Cr、9Cr和12Cr等三大系列。2Cr系列包括T/P23和T24等,与我国的钢102和П11相似;9Cr系列包括T/P91、T/P92等;当温度在620℃以上时,9Cr系列以下钢的抗氧化性能有限,一般采用12Cr系列钢,如T/P122等。在650℃以上时,铁素体型耐热钢抗高温烟气腐蚀和高温蒸汽氧化的能力有限,一般选用奥氏体型耐热钢。奥氏体型耐热钢主要用在过热器/再热器管的出口,这一范围内的钢管内壁会由于蒸汽氧化而生成氧化层,热应力的作用会导致氧化层剥离并堆积在钢管的弯曲部位,使钢管发生过热而爆管,剥离层也会造成汽轮机翅片的损伤,因此抗蒸汽氧化和烟气腐蚀应成为考虑的重要因素。新型奥氏体型耐热钢主要分为18Cr和20-25Cr两大系列:18Cr系列包括TP304H、TP347H、TP347HFG、Super304H等;20-25Cr系列钢具有更优异的抗蒸汽氧化性能和耐烟气腐蚀性能,如TP310CbN(HR3C)等。对上述众多获得ASME规范认可的新型铁素体和奥氏体锅炉用耐热钢,需要加以认真研究并纳入我国锅炉钢管标准。建造更高蒸汽参数的大型超临界/超超临界火力发电机组,以节约能源、改善环保状况是我国今后经济发展的基本国策。因此开发高性能的新型耐热钢,使这些ASME材料国产化,是我们今后的重要任务。国内新型耐热钢的开发策略应是优先采用国外新材料的开发成果,通过性能试验,认真分析研究新材料的性能,小批量试制生产,通过专家评定,逐步推荐推广使用,并将开发研究成果纳入我国锅炉钢管标准中,形成具有我国特色的超临界/超超临界机组锅炉用新型耐热钢