2001版ASME动力锅炉规范案例中的新材料及其案例应用说明
北京巴威公司工程部 韩肇俊

在2001版ASME规范案例集中共61个关于第I卷‘动力锅炉’规范的案例,半数以上是对于材料及其使用规定的案例。本文介绍其中适合于锅炉高温受压件用、6种合金钢和4种奥氏体钢铁基材料的案例,接着,介绍了其他7个有关材料及其使用规定案例的应用。本文还结合对规范案例及规范修订情况的介绍,对于应用极其广泛的最新版SA-213 ASME 管子标准和A 213-99a, A 213-01 ASTM管子标准进行了对比分析。
ASME锅炉及压力容器规范;规范案例;锅炉;ASME/ASTM材料

编者按:2002年第2期本刊刊出了陈登丰编写的“2001版ASME压力容器规范案例概况”,下面刊出的是对2001版ASME动力锅炉规范案例的介绍及评述。

一、新材料及其 “规范案例”的应用说明:
        新材料的开发和应用是锅炉及压力容器建造取得技术进步的基础。当ASME收到并受理使用新材料的申请后,规范委员会考虑制定并发布有效期为3年的“规范案例”以“提供现行规范未覆盖的材料或建造的规则”。虽然规范案例不只限于对于材料及其使用的规定,但是常常多数是材料方面的案例。
        “规范案例”与规范的卷册同步出版。它是在每一次总委员会会议后、经过与其他修改和补充同样的批准程序产生。规范案例允许使用在目前版本锅炉和压力容器规范没有的材料或结构。但是,规范案例十分特殊,严格限制它的使用。每一份规范案例都要经过审查,才纳入到适当的锅炉和压力容器规范的卷的文本中。规范案例的使用是可选择的,非强制性的。但是,当选择使用某一规范案例,则规范案例的所有部分是‘强制性’的,并且规范案例的编号应列入到制造厂的数据报告表上。
        对于规范产品上使用的材料,只有获得委员会批准了的金属材料才会出现在“规范案例 ”里,它是被纳入正式规范之前的规则。部分新材料在3年之后由于被纳入到规范中,因此相应案例被撤消;部分新材料虽然已被纳入到规范第II卷A篇或B篇里的材料标准之中,但是,由于关于新材料的最大许用应力值、以及有关P-No.号和热处理等的使用规定尚未完整地列入第II卷D篇以及规范的其他卷中的原因,因此其案例仍需保留;个别新材料在案例中,但是至今未被纳入到规范之中。
        从2001版规范案例集中按英文字母顺序排列的“标题索引”可见属于第I卷之下的案例共有61份,而其中的半数以上是关于新材料使用规则的案例。在新材料之中又大多是高温受热面用合金钢或不锈钢材料,还有非铁基材料(注1)。
        (注1:61个案例中,还有相当数量的非铁基材料案例,考虑到其应用远不如铁基材料那样普及,因此介绍及评述从略。)
        表1中列出的是其中的铁基材料,它们是:
        2.25Cr-1.6W-V-Cb, Modified 9Cr-1MoV, 9Cr-1Mo-1W-Cb, 9Cr-2W, 12Cr-2W,TP347HFG,18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N(UNS S30432),21Cr-11Ni-N (UNS S30815)和25Cr-20Ni-Cb-N(UNS S31042)
        上述材料在案例标题中使用的是按合金元素给出的材料公称成分(Nominal composition),它不同于在材料标准中使用的材料牌号或级别号。

表1。2001版规范案例集中部分关于新材料的案例及说明

‘规范案例’标题:新材料的公称成分及名称

ASME批准‘规范案例’号

ASME‘规范案例’批准日期

说明

铁素体钢:

 

2.25Cr-1.6W-V-Cb材料
(T23)

CC 2199
CC 2199-1
第I卷

1995.6
1999.5.4

1)该材料是日本住友开发的管子(tube)材料,牌号为HCM2S;在根据‘A02’增补全文修订过的SA-213 ASME 管子标准和最新版的ASTM标准A 213-01管子标准中牌号为:T23。
2)案例中,委员会答复:本案例适用SA-182锻件,SA-335公称管;SA-387钢板和SA-213无缝管子。

2.25Cr-1Mo-V-Ti
(T24)

---

---

1)欧洲V&M开发,1998年TUV批准试用;EN10216-2标准中牌号为 7CrMoVTiB10-10;
2)1998年送ASTM及ASME报批,已经以T24级别号纳入ASTM标准A 213-01标准中①,但是,未列入在2001版案例集中。

Modified 9Cr-1MoV
铸造材料

CC 2192-3
第I卷

2000.7.10

案例中,委员会答复:只要满足该案例的要求,符合SA-217标准的经正火加回火的9Cr-1MoV铸件可用于第I卷的建造。

正火加回火的9Cr-1Mo-1W-Cb材料(T911)

CC 2327
第I卷

2000.5.2

1)案例中,委员会答复:本案例除了适用SA-182,SA-336锻件,SA-335公称管;SA-387钢板和SA-213无缝管子外,还适用于SA-234管配件和SA-369锻造公称管。
2)在A 213-01标准中牌号为:T911。

无缝9Cr-2W材料(T92)

CC 2179-3
第I卷, VIII-1

1999.10.29

1)日本‘新日铁’开发的‘NF616’ (9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nb)管子材料,已以‘T92’级别号列入到与ASTM A-213-95a等同的1998版和2001版ASME SA-213标准中。
2)案例中,委员会答复:本案例适用SA-182锻件,SA-335公称管;SA-213无缝管子和SA-369锻造公称管;其中锻造产品是在案例CC 2179-2中增加的。
3)本案例规定对外径不大于3.5”的管子制品最高使用温度为1200F,许用应力为6.9ksi。2001版第II卷的D篇还未给出许用应力值,当需要应用时需应用本案例。

无缝12Cr-2W材料 (T122)①

CC 2180-1
CC 2180-2
第I卷

1997.5.23
1999.5.4

1)日本住友开发管子材料牌号为HCM12A;在A 213-01标准中牌号为:T122。①;
2)案例中,委员会答复:本案例适用SA-182锻件,SA-335公称管;SA-387钢板和SA-213无缝管子

奥氏体钢:

 

奥氏体不锈钢无缝管子TP347HFG
(18Cr-10Ni-Cb)

CC 2159-1
第I卷,
VIII-1

1999.10.29

1)细晶粒的TP347H奥氏体不锈钢管子;
2)该材料虽然已经以TP347HFG级别号列入到2001版的SA-213标准中,但是,在2001版第II卷的D篇还未给出许用应力值,当需要应用时需应用本案例。该案例仍被保留在2001版的案例集中。

奥氏体不锈钢无缝管子(18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N) UNS S30432

CC 2328
第I卷

2000.3.6

1)日本住友开发的管子材料牌号为Super304H;
2)在最新版的ASTM标准A 213-01标准中UNS合金牌号为:UNS S30432。
案例中,委员会答复:限其他符合SA-213标准中的适用要求。

规范建造用21Cr-11Ni-N合金
(UNS S30815)

CC 2033-2
第I卷

1998.3.5

1)欧洲开发钢种,商品牌号:253MA;
2)使用该材料可以替代含量更高的铬-镍合金,适合于流化床锅炉及垃圾锅炉上使用,应用前景良好。
3)该材料已经列入到2001版的,例如SA-213,SA-387等多个标准中,但是,该案例仍然被保留在2001版的案例集中。

奥氏体不锈钢无缝管子(25Cr-20Ni-Cb-N)UNS S31042 (TP310HCbN)

CC 2115-1
第I卷

2000.2.7

1)日本住友开发管子材料牌号为HR3C;在SA-213标准中牌号为:TP310HCbN;该钢种是25Cr-20Ni的310型号奥氏体不锈钢通过加入0.20-0.60的Nb及0.15-0.35的N的改良钢种;
2)该材料虽然已列入到2001版的SA-213标准中,但是,在2001版第II卷的D篇还未给出许用应力值,当需要应用时需应用本案例。

注:①这些牌号是ASTM A-213/A213M-01标准中的材料级别号。随产品形式材料标准不同时,材料牌号会有相应变化,例如:管子为T23外,还有F23(锻件),P23(公称管)和Gr23(钢板)。

        对于表1中列出的这些新材料,需要特别说明的是:
        1)随发布规范‘增补’、当材料标准全文修订时,部分新材料将按照美国材料的命名方法采用新的牌号纳入到标准中。例如,表1中的T23和 T122在已经纳入到根据‘A02’增补全文修订过的SA-213 ASME 管子标准和最新版的ASTM标准A 213-01管子标准中。从‘A02’增补修订的SA-213/ SA-213M标准可以了解全文修订的原因是改为与‘-99a’年号的ASTM标准A 213-99a等同而造成的变更。
        2)表1中的由日本完成开发工作并且申报纳入到ASME中的无缝9Cr-2W管子材料(T92),以及奥氏体不锈钢TP347HFG和TP310HCbN无缝管子不仅仅用于日本的超临界锅炉上,而且是在发展超临界压力锅炉上应用前景十分良好的材料。例如:案例2179规定对外径不大于3.5”的T92(9Cr-2W管子制品最高使用温度为1200F,许用应力为6.9ksi,比同温度下T91(9Cr-1Mo-V)管子的许用应力为4.3ksi,强度高得多。
        3)上述T23等共5种受热面管子材料,除了奥氏体不锈钢TP347HFG以外其他4种材料在2001版第II卷的D篇都还未给出许用应力值,当需要应用时仍需应用规范案例的规定。

二、7个有关材料使用的案例的应用说明:
        在2001版规范案例集中属于第I卷的61份案例中,还有一部分关于材料的案例并不是新材料,而是与关于材料如何用于规范产品建造的规定。以下是这一类典型案例及其说明。
表2。2001版规范案例集中部分关于材料使用要求的案例及说明 

‘规范案例’标题

ASME规范案例号

ASME规范案例批准日期

说明

SA/EN10028-2 P295GH级别碳素钢的使用

CC 2342
第I卷

2000.11.28

1)欧洲EN10028-2 容器钢板标准虽然已经被列入到第II卷的A篇之中,但是原来在第II卷的D篇中并未给出P295GH的许用应力值,即并未实际应用;本案例对3种厚度的钢板给出了常温到800F的许用应力值;
2)在‘01’增补中已将它首次加入第II卷的D篇中,但是,P295GH级别以外的钢板因为尚未提出应用需求,所以既无发布规范案例,也未加入到第II卷中。

电阻焊接锅炉及过热器低合金钢管子

CC 1984-2; CC 2059;CC 1996-2;CC 2026-3;第I卷

1989.5.6; 1989.5.6;
1989.12.10
2000.2.7;

1)4个案例依次为SA-250标准中的T11 (1.25Cr-1Mo), T12 (1Cr-0.5Mo),T2 (0.5Cr-0.5Mo)以及T22 (2.25Cr-1Mo)电阻焊接管子;在2001版第II卷的D篇中至今尚未给出它们的许用应力值;
2)当有应用需求时,应使用这些案例;

公称管外径公差的替代规则

CC 2237
第I卷, VIII-1

1997.3.10

1)对于公称管,通用标准SA-530规定的外径公差为:负偏差,-0.8mm,正偏差按公称管的NPS规格为+0.4-4.8 mm;
2)委员会答复意见:外径公差定为+/-1%,其他符合适用标准的公称管应用本案例,则可以用于在内压下工作的场合。

按内径定尺寸公称管公差的替代规则

CC 2273
第I卷, VIII-1

1998.3.5

1)在工程上公称管一般按外径定尺寸,由于特殊场合性能原因有按内径定尺寸订购管子的应用需求;
2)委员会答复意见:按内径公差为+/-1%定尺寸的,其他符合适用标准的公称管可以用于在内压下工作的场合。

        如上所示,对于SA/EN10028-2 的P295GH级别碳素钢容器钢板,一方面通过发布案例CC 2342明确了当用于建造规范产品时的使用要求,另一方面在规范的‘01’增补中已经把它分别列入了第II卷D篇的‘应力表’-表1A,表U(抗拉强度,Su表格)和表Y-1(屈服强度,Sy表格)中,在一段时间中两者并存是一种常见的现象。但是,只有应用该规范案例才能除了知道其许用应力值及适用温度范围外,还能够明确它属于P-No.1的第1组材料,以及当在外压作用下工作时应采用外压线图CS-2。
        对于SA/EN10028-2 的其他级别钢板或者SA/JIS G3118日本的容器钢板,当需要用于建造规范产品时,也必须是向规范委员会提出申请,在获得批准并发布规范案例后才能够实际使用。
在2000.10.30~10.31 “ASME/CACI锅炉及压力容器技术研讨会”上,上海化工设备技术中心站就曾经对已经被纳入到第II卷A篇的SA/CSA-G40.1,SA/EN10028-2 和SA/JIS G3118提问:“为什么其许用应力值,P-No.号,外压线图及适用温度范围在其他卷里面没有?”会后,ASMEMark E. Sheehan的书面答复为:“。。。它们是根据委员会内部的意见采纳的。由于它们不是来自外部的申请(outside request),所以委员会没有(作出)修改其他卷的决定。。。”。从这里列出的案例2342,以及第II卷的D篇‘01’增补所作相应修订来看,今后,规范委员会会继续通过发布其他规范案例来满足对于其他级别材料的‘外部申请’。
        此外,表2中列出的4个不同钢种(T11, T12,T2和T22)电阻焊接锅炉及过热器低合金钢管子的‘案例’都是关于按SA-250标准制造的有缝焊接管子应用的规定,它们到目前为止还没有被列入第II卷D篇的‘应力表’-表1A之中,但是通过应用这个不同案例可以用于第I卷的规范产品上。在锅炉制造中按SA-178标准制造的碳素钢电阻焊接管子已经得到长期应用,SA-250标准的不同是Cr-Mo合金钢材料,它是委员会在规范产品上采用材料十分慎重的典型例证。

三、关于最新版SA-213标准与A213-01标准的比较:
        按ASME规范设计及制造锅炉及压力容器,当管子受压元件的设计金属温度超过碳素钢允许使用最高温度时,需要使用Cr-Mo合金钢或奥氏体不锈钢材料的管子。在规范的第II卷‘铁基材料 ’中,适合于在这种条件下锅炉,过热器及热交换器用的管子材料标准是ASME SA-213标准或ASTM A-213标准。
        如规范‘前言’所述,“对于材料标准的修订先由ASTM(美国材料及材料试验协会)进行,然后由ASME采用。这些修改对按其较早版本生产的材料可能有或没有任何影响… 。”。综观各版次规范第II卷材料标准所采用的最新版ASTM材料标准的情况,可以知道部分标准由于已经符合使用需求所以版次变化不快,即使是2001版规范第II卷依然和1998版及1995版一样,所采用的最新版ASTM材料标准还是92年或93年的标准;而另一部分的材料标准版次则变动很频繁,其中,A 213标准近期不断改版增加新材料就是个典型例子。
        对于列在第II卷中的SA-213/SA-213M管子标准,2001版规范所采用的最新版ASTM材料标准是‘-95a’年号的标准,其他允许使用的ASTM版本是‘88a’到‘95a’年号的标准。该标准的副标题指出:除了有编辑上的不同及明确热处理要求外,与ASTM标准A-213 /A213M-95a完全等同。
        然而,ASTM A-213 /A213M标准的改版要快得多,其最新版标准已经是‘-01 ’年号标准,与ASME认可采用的标准年号前后相差6年。该标准于2001年3月10日由美国材料及材料试验协会的A01及A01.10批准,于2001年出版。‘-01’年号新版代替年号为‘-99a’的上一版标准---‘A213 /A213M-99a’。新版标准增加了T23,T24,T122,T911,S30432,S30815和S31042等一批应用前景良好的新材料。但是,无论是年号为‘-99a’及年号为‘-01’的ASTM标准,都还没有得到ASME的批准,因此,已经得到ASTM的批准列入这2个标准中的上述新材料只有在向ASME提出申请、并得到ASME批准作为‘规范案例’认可材料才可以用于规范产品上。在ASTM A-213 /A213M标准的适用范围节中,有如下的注释:“对于ASME锅炉及压力容器规范应用见该规范第II卷中的有关标准-SA-213。”。
        以下列出的是在‘01’年号最新版ASTM A-213 /A213M标准中新增加的材料牌号,以及得到ASME批准作为‘规范案例’的认可情况:
表3. ‘01’年号最新版ASTM A-213 /A213M标准中新增加的材料

新增材料的公称成分

ASTM A-213/A213M-01材料级别号

ASME批准‘规范案例’号

ASME‘规范案例’批准日期

说明

铁素体钢:

 

2.25Cr-1.6W-V-Cb

T23①

CC 2199 CC 2199-1第I卷

1995.6
1999.5.4

日本住友开发管子材料,牌号为HCM2S

2.25Cr-1Mo-V-Ti

T24

---

---

EN10216-2标准中牌号7CrMoVTiB10-10

9Cr-1Mo-1W-Cb

T911

CC 2327第I卷

2000.5.2

 

12Cr-2W

T122

CC 2180-1 CC 2180-2第I卷

1997.5.23
1999.5.4

日本住友开发管子材料,牌号为HCM12A

奥氏体钢:

 

18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N

UNS S30432

CC 2328第I卷

2000.3.6

 

21Cr-11Ni-N合金
(UNS S30815)

UNS S30815

CC 2033-2第I卷

1998.3.5

欧洲开发钢种,商品牌号:253MA

25Cr-20Ni-Nb-N

UNS S31042

CC 2115-1第I卷

2000.2.7

 

注:①根据在8月末刚刚收到的规范‘A02’增补,ASME规范第II卷A篇里的材料标准SA-213/SA-213M管子标准已经全文修订,表3中的T23T122在已经纳入到该标准中,即从2002年7月1日起这2种材料已经是ASME规范许用材料。
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