可以替代310S和601合金的新型奥氏体耐热不锈钢253MA性能及相近钢种介绍
北京巴威公司工程部 韩肇俊

本文根据253MA奥氏体耐热不锈钢供货厂商提供的最新资料,2001年最新版ASME规范及材料标准介绍该种新材料及同系列钢种的性能特点及应用。以253MA钢为主,还有153MA和353MA钢,尽管其化学成分中只含有相对较少量的Cr和Ni,但通过添加稀土元素,并加入氮元素微合金化改良后,综合性能良好,可以在很多高温及耐腐蚀使用场合下替代含有更高合金的钢种以及价格昂贵的镍基合金,非常适合作为流化床(CFB)锅炉及垃圾锅炉的材料使用。253MA钢等材料已经按美国UNS统一合金编号S30815、S30415和S35315列在SA-240等8个ASME材料标准以及‘规范案例’CC 2033-2之中。因此,可以用于第VIII卷第1册和第 I卷的规范产品构造上。
锅炉和压力容器;奥氏体耐热不锈钢;新钢种;ASME/ASTM材料

一、概述
        耐热不锈钢在锅炉和压力容器中有着广泛的应用,锅炉和压力容器的用户为了延长设备的使用寿命,制造厂为了降低原材料成本,简化工艺,总是要求钢铁的研究和生产单位不断地开发出性能价格比更好的新钢种用来替代传统的钢种。例如,在锅炉上的应用,近年来为了实现清洁煤燃烧技术,流化床(CFB)锅炉、特别是内循环流化床(IR-CFB)锅炉的发展很快, 其炉膛出口处的分离元件如“ U”形槽钢板原设计就往往选用美国钢铁学会标准 AISI 310和310S型奥氏体不锈钢,在垃圾锅炉上,也需要耐腐蚀性高的材料。在压力容器的应用上,当介质具有强烈的腐蚀性时,也需要选用像 800和601等价格昂贵的镍基合金。
        本文要介绍的253MA、153MA和353MA奥氏体耐热不锈钢,是分别在310和310S型(21Cr-11Ni),304型(18Cr-9Ni)和353型(25Cr-35Ni)传统铬-镍奥氏体不锈钢的基础上,通过添加铈(Cerium)、镧(Lanthanum),钕(Neodymium)镨(Praseodymium)等稀土元素(Re),并加入氮(Nitrogen)元素微合金化,在80年代中、后期发展而成的耐热不锈钢。据资料介绍,在世界上较早完成开发并可以批量生产该钢种的钢厂有瑞典的Avesta Sheffield AB公司和Sandvik公司,还有美国的RA公司等。由于这三种材料从1995年起已经按美国UNS合金编号S30815,S30415和S35315相继被纳入ASME或ASTM材料标准中,因此在材料选用上已经完全可以作为成熟钢种、规范许用材料看待。
        对于三种材料中的253MA钢,它和美国AISI 309S型(23Cr-13Ni) 或310S型(25Cr-20Ni)奥氏体耐热不锈钢,及与800(21Cr-32Ni, ASTM N08800)或601(23Cr-60Ni, ASTM N06601)型镍基合金相比,具有综合性能良好的明显优势的原因是: 首先,253MA钢的化学成分中只含有 21%的Cr, 11%的Ni; 由于加入很少量的但是加以严格控制的稀土元素,而使得它与具有更高合金含量的不锈钢有同样良好的抗氧化性能和良好的高温蠕变强度;另一方面,通过加入氮元素微合金化更利于改善高温蠕变性能,并使该材料成为全奥氏体组织。所以,尽管253MA钢的化学成分中只含有相对较少量的Cr和Ni,但却可以在很多高温使用场合下替代含有更高合金的钢种以及价格昂贵的镍基合金。在冶金上,为了使得该材料具有更好的抗氧化性需要控制并保持较少的钼和锰的含量。
        253MA钢是Avesta Sheffield AB公司的钢种注册商标名称。该材料先被列入英国SS标准和德国DIN标准,钢种编号分别为SS 2368和DIN 1.4893;从1995年版起,该材料已经纳入ASTM及ASME标准中,按美国UNS统一合金编号方法编号为UNS S30815,材料的公称成分为“21Cr-11Ni-N ”。根据ASME 标准的规定253MA钢可以使用到900 ℃的承压场合及工作温度高达1150 ℃的非承压高温零部件。供货厂家推荐使用温度为 830 ~ 1100 ℃。253MA、还有153MA和353MA三种材料的制品形式及其标准见1
        表 1 2001版ASME材料标准中的253MA、153MA和353MA材料

序号

标准编号

制品形式

253MA(S30815),153MA(S30415)和 353MA(S35315)材料

1

SA-182

锻件

2001版中,只有S30815,级别号被命名为‘F45’。
要求作固溶处理加淬火,焊接修理需经买方同意。

2

SA-213

无缝管子

只有S30815

3

SA-240

在2001版中,S30815,S30415和S35315均为规范材料

4

SA-249

焊接管子

在2001版中,S30815和S30415为规范材料

5

SA-312

无缝公称管

在2001版中,S30815,S30415和S35315均为规范材料

6

SA-358

高温用电熔化焊公称管

在2001版中有用S30815和S35315钢板焊接构成相同UNS合金编号的公称管产品

7

SA-409

腐蚀和高温用大直径公称管

只有S30815

8

SA-479

钢棒

只有S30815

        如上表所示,只有253MA(S30815)钢一种材料,是在8个材料标准中全部都列入了的。需要特别指出的是:在最新2001版的第II卷D篇中,只能查到除了表1中6和7(SA-358和SA-409)材料标准产品以外的S30815材料的最大许用应力值、适用温度范围、材料的P-No.号以及外压线图。

二、技术标准和化学成分
        除了1所示出的253MA、153MA和353MA钢三种材料的制品形式的标准外,2所示为2001年版ASME规范第II卷,SA-240压力容器钢板标准中所列的S30415, S30815 和S35315材料的化学成分。
        表2 SA-240压力容器钢板标准中253MA钢,以及S30415、S30815 和S35315钢的化学成分要求

                 成份
牌号

C

Mn

P

S

Si

S30415①

0.04-0.06

0.80

0.040

0.030

1.00-2.00

S30815
Avesta 253MA

0.05-0.10

0.80

0.040

0.030

1.40-2.00

S35315

0.04-0.08

2.00

0.040

0.030

1.20-2.00

接上表上半部

Cr

Ni

Mo

N

其他元素

S30415①

18.00-19.00

9.00-10.00

--

0.10-0.16

--

S30815
Avesta 253MA

20.00-22.00

10.00-12.00

--

0.14-0.20

Ce:0.03-0.08

S35315

24.00-26.00

34.00-36.00

--

0.12-0.18

Ce:0.03-0.08

注:①在304型的奥氏体不锈钢系列中,开发得较早的S30451的 304N型(18Cr-9Ni-N)与表中的 S30415(153MA)钢很相近,但是其 C、Mn 和Si的含量不同,且没有添加 Ce。
        表3所列为Avesta Sheffield AB公司标准中规定的253MA钢化学成分,表中还同时列出了321H、309S、310S、S30415、S30815 和S35315奥氏体耐热不锈钢,以及330、800和601型镍基合金的化学成分。从表3 中可以看到Avesta Sheffield AB公司的注册商标名称153MA,253MA和353MA分别和美国ASME/ASTM 标准中的UNS S30415, S30815 和S35315钢相对应。
        表3. Avesta Sheffield AB公司标准253MA钢及相近材料的主要化学成分

Avesta Sheffield

ASME
/ASTM

C

Si

Cr

Ni

N

其他元素

DIN

奥氏体不锈钢

 

18-10Ti

321H

0.05

0.5

17.5

9.5

--

Ti

1.4878

23-13

309S

0.06

0.5

22.5

12.5

--

--

1.4833

25-20

310S

0.05

1.0

25

20

--

--

1.4845

153MA

S30415

0.05

1.3

18.5

9.5

0.15

Ce

1.4891

253MA

S30815

0.09

1.7

21

11

0.17

Ce

1.4893

353MA

S35315

0.05

1.5

25

35

0.16

Ce

--

镍基合金

 

330

N08330

<0.05

1.0

19

35

--

--

--

800

N08800

<0.12

0.5

21

32

--

Ti,Al

1.4876

601

N06601

<0.10

0.3

23

60

--

Al

2.4851

三、253MA钢的金相组织和高温性能
3.1 概况
        253MA
钢是全奥氏体钢,通过添加氮元素得到稳定的奥氏体组织。但是,当铬和硅元素的含量相对较高时会成为‘奥氏体-铁素体’双相钢。由于253MA钢是一种有着较高碳含量的奥氏体钢,所以253MA钢的金相组织中含有碳化物。253MA钢具有很高的抵抗σ相沉淀的稳定性。
        253MA钢在空气介质中具有很高的氧化皮生成温度,该温度为1150 ℃。253MA有着良好的高温抗氧化性能,国外的研究表明,即使是在大幅度快速变化的温度条件下,253MA钢表面的氧化皮和基体仍结合得很牢固,不易出现氧化皮剥落现象。
        253MA钢在高温和快速循环温度变动条件下具有很好的抵抗热变形能力,同时具有良好的抗氧化性和抗热变形综合能力。253MA钢的抗热变形能力源于它非常好的高温蠕变强度和韧性。
        253MA钢在不要求高温蠕变强度的较低的温度条件下,也具有良好的力学性能。
3.2 湿态条件下抗腐蚀性
        253MA钢并不是液体介质条件下使用的钢种,由于它的碳含量较高,所以抗晶界腐蚀能力较低。对253MA钢通常不做晶界腐蚀试验。
3.3 其他抗高温腐蚀性能
3.3.1
硫侵蚀
        253MA钢在含硫烟气中仍保持良好的抗氧化性能。
        炉内烟气含硫会使镍基合金和镍合金耐热钢发生硫侵蚀。镍含量越高受硫侵蚀的风险越高。253MA的镍含量相对比较低,在氧化条件下形成的氧化膜层较薄富有弹性并且结合牢固,因此可以阻止硫的侵蚀;253MA的氧化膜层不容易发生裂纹因而烟气不会穿透而侵蚀基体材料。据资料介绍,253MA的晶间氧化和硫化侵蚀深度仅为309S和 310S奥氏体钢的二分之一。
3.3.2高温渗碳和渗氮
        高温渗碳会降低材料的抗氧化性及抗硫侵蚀性,并且导致脆性。业已证实,尽管253MA的镍含量相对比较低,在表面形成的较薄富有弹性并且结合牢固的氧化膜层可以阻止高温渗碳。
        高温渗氮和高温渗碳的危害相似,同样的原因253MA钢在氧化环境条件下具有良好的抗渗氮能力。

四、253MA钢、S30415, S30815 和S35315钢的力学性能和许用应力
        在力学性能上,253MA钢在所有的温度下的屈服强度和抗拉强度值都相当高。253MA钢的蠕变温度为550 ℃,在该温度以上的温度范围,设计计算要取决于材料的蠕变温度。
        根据Avesta Sheffield AB公司提供的资料,253MA钢的力学性能列于表4~表6,表中所列出的力学性能是在厚度小于等于30mm的钢板上横向取样所得数据。
        表4中除了Avesta 253MA钢的一行数据是引自Avesta Sheffield AB公司资料外,S30415, S30815 和S35315钢的数据是引自2001年版ASME SA-240压力容器用钢板标准中的表2。
        表5中253MA钢的短时高温强度(最小值)数据是引自Avesta Sheffield AB公司资料。对于ASME规范产品用S30815钢在不同温度下的抗拉强度Su和屈服强度Sy的数据可从2001版第II卷D篇第462页的表U和第576页的表Y-1查得。
        表6中所列出的253MA钢的高温抗蠕变强度及持久强度(平均值) 引自Avesta Sheffield AB公司资料。
        表4 253MA、153MA和353MA钢的力学性能

                项目
材料

抗拉强度MPa

屈服强度Pa

伸长率 %

硬度 HB

弯曲试验

冲击强度J/cm^2

S30415

600

290

40

217

不要求

 

S30815

600

310

40

217

---

 

Avesta 253MA

650

310

40

210

---

120

S35315

650

270

40

217

不要求

 

        表5 253MA钢的短时高温强度(最小值)

温度,

50

100

200

300

400

屈服强度MPa

280

230

185

170

160

抗拉强度MPa

630

585

545

535

530

温度,

500

600

700

800

900

屈服强度MPa

150

140

130

--

--

抗拉强度MPa

495

445

360

(260)

(150)

        表6 253MA钢的高温抗蠕变强度及持久强度(平均值)

温度,℃

600

700

800

900

1000

1100

蠕变强度,MPa

 

 

 

 

 

 

Ra 1/10000

126

45

19

10

(5)

(2.5)

Ra 1/100000

80

26

11

6

(3)

(1.2)

持久强度,MPa

 

 

 

 

 

 

Rkm 10000

157

63

27

13

(7)

(4)

Rkm 100000

88

35

15

8

(4)

(2.3)

注:1)表中数据引自Avesta Sheffield AB公司资料;如前面所述,在最新2001版的第II卷D篇中目前只能查到适用于第VIII卷第1册规范产品构造上的S30815钢材料的最大许用应力值、适用温度范围、材料的P-No.号以及外压线图。对于第 I卷‘动力锅炉’产品,2001版ASME出版的‘规范案例’集中有1998.3.5批准的案例2033-2“第 I卷规范构造用21Cr-11Ni-N (UNS S30815) 合金”中,给出了如下表7所示的最大许用应力值:
        附带需要说明的是:在最新2001版的第II卷D篇中目前尚未列出S30415和S35315钢的许用应力及其他数据。
        表7 ASME规范案例2033-2中规定的第 I卷 规范构造用最大许用应力值

金属温度不超过,℉

应力值,ksi

1000

14.9

1050

11.6

1100

9.0

1150

6.9

1200

5.2

1250

4.0

1300

3.1

1350

2.4

1400

1.9

1450

1.6

1500

1.3

1550

1.0

1600

0.86

1650

0.71

五.物理性能
        253MA钢的各项物理性能如表8所示,表中数据引自Avesta Sheffield AB公司资料。
         表 8 253MA钢的各项物理性能

温度,

20

600

800

1000

密度,g/cm3

7.8

--

--

--

弹性模量,kN/mm2

200

155

135

120

线膨胀系数,10-6/ ℃

17(20-100)

18.5

19

19.5

导热系数,W/m2℃

15

22.5

25.5

29

比热,j/kg ℃

500

600

630

660

比电阻抗,nΩm

850

1370

1430

1450

六.工艺资料
        253MA钢尽管强度高,但容易成形,并具有良好的可焊接性。生产经验表明只要制造设备适合于加工和压制成形,该钢的加工制造不会有困难。
6.1成形
        253MA钢的热成形应在 1150 ~ 900 ℃范围内进行。因为材料在运行中是处于高温条件下,因此,一般不必要进行固溶退火热处理。
        253MA钢可以冷成形。当钢中的含氮量较高时强度增加,须加大成形力。
6.2机加工
        253MA钢不容易机加工,它的硬度较高并有应变硬化倾向,所以机加工时应加注意。
6.3焊接
        253MA钢具有良好的可焊接性,可以用下列方法焊接:--- 药皮焊条手工电弧焊;纯Ar气保护TIG 或MIG焊(以纯净的氩气作保护气体)或埋弧焊。
        253MA钢的焊接推荐使用Avesta Sheffield AB公司的253MA的焊条或焊丝,也可以以Avesta 309作为代用焊接材料,但是性能会稍降低。这两种焊缝金属的成分见9
        按ASME规范第IX卷,第II卷D篇适用第VIII卷第1册规范产品构造的规定以及案例2033-2中的规定,S30815钢在材料的可焊性上被定为P-No.8的第2组别材料。
        表 9 253MA钢填充金属的成分

                成份
材料

C

Si

Mn

Cr

Ni

N

稀土金属

Avesta 253MA

 

 

 

 

 

 

 

药皮焊条

0.06

1.5

0.8

22

10.5

0.18

RE

焊丝

0.08

1.6

0.5

21

10

0.17

RE

Avesta 309

 

 

 

 

 

 

 

药皮焊条

0.05

0.8

1.0

24

13.5

--

--

        大多数的耐热奥氏体钢对焊接热裂纹较为敏感,然而253MA由于其化学成分关系,其焊缝金属及热影响区域对焊接热裂纹并不敏感。253MA钢填充金属比母材的镍含量较低,因此焊缝金属组成将形成3 – 10%之间的铁素体组织,能阻止热裂纹的形成。
6.3.1焊接接头
        对于253MA钢, Avesta Sheffield AB公司推荐:焊接时根部打底焊道可以采用GTAW(TIG)或 SMAW(药皮焊条),如果采用GTAW(TIG)焊接,则在定位焊时就必须使用保护气体衬垫(backing gas)。
        由于253MA钢的母材热膨胀系数高,热导率低,所以建议采用较小的焊接热输入。
6.3.2焊接坡口及清理
        焊接坡口及邻近表面应进行清理,表面如果有沾污,油或油污将导致焊缝缺陷。另外,毛刺必须清除掉,以免造成未熔合。
6.3.3 SMAW焊接
        SMAW焊接采用直流电反接(DCRP)进行,即焊条取(+)电极。
        Avesta 253MA AC/DC焊条在美国UNC编号中称为 W30813。
        工作温度在1100℃的部件,如有可能不应采用 SMAW(药皮焊条)焊接,推荐采用GTAW(TIG)或GMAW焊接。母材厚度小于2mm的253MA也不应该采用SMAW(药皮焊条)焊接。
        Avesta 253MA AC/DC焊条焊接时电弧稳定、飞溅很少,能产生均匀的焊接熔敷表面,焊渣清理容易。该种焊条也可以采用空载电压MIN 60V的交流电焊接。
        Avesta 253MA AC/DC焊条从密封包装中取出后,应放在温度最少为100℃的烘炉中保持干燥。
        为了成形良好,焊接电流应随焊条直径增加而增加

焊条直径 mm

电流A

2.0

30-50

2.5

45-70

3.25

70-110

4.0

100-140

5.0

150-200

        Avesta 309L AC/DC 或309 AC/DC代用焊条可以用于253MA和碳钢的连接,253MA和308材料的焊接推荐采用Avesta 253MA AC/DC焊条。
6.3.4焊前预热和焊后热处理
        不推荐进行焊前预热。环境温度低于零度时应加热到室温(>10℃),以防止凝水。如果采用火焰法预热,加热应对母材进行,防止对坡口边缘渗碳,必须避免只对一点集中加热。
        一般不需要焊后热处理。如果有必要应在 850~950 ℃保温 30分钟作消除应力热处理,随后空冷,或者是在 1050~1100 ℃作固溶退火,随后快速冷却,最好进行水淬。
6.4热处理
        对于253MA钢推荐:固溶退火温度为 1050 ~ 1100 ℃, 随之快冷。
        最新2001版的第II卷A篇中SA-213标准和2001版‘规范案例’集中1998.3.5批准的案例2033-2中规定:S30815钢的热处理应最低加热到1050 ℃或在1050 ~ 1100 ℃温度进行固溶热处理,随后进行水淬或以其他方式快速冷却。

七.检验
        适合的无损检验方法包括:射线检验,渗透检验,水压试验,泄漏检测和铁素体测量,破坏性试验可用弯曲试验及冲击试验的方式进行。
        总之,如上所述,无论是253MA钢或S30815钢,包括S30415和S35315钢在内是综合性能良好的新材料,国内的锅炉及压力容器制造厂通过国外引进技术已经注意到它们完全可以用来在很多高温及耐腐蚀使用场合下替代含有更高合金的钢种以及价格昂贵的镍基合金,非常适合作为压力容器,流化床(CFB)锅炉及垃圾锅炉的新型高温材料使用。
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