锅炉用新型ASME奥氏体不锈耐热钢管简介
Brief Introduction of New ASME Austenitic Steel Tubes for Boiler Application


杨华春YANG Huachun
东方锅炉(集团)股份有限公司Dongfang Boiler (Group) Co.,Ltd

本文简介了日本开发的、并由ASME Code case确认的、用于超(超)临界锅炉机组的新型奥氏体不锈耐热钢管SUPER304H、HR3C和XA704的性能及特点。
This paper briefly describes characteristics of the new ASME austenitic stainless steel tubes of SUPER304H, HR3C and XA704, developed by Japan, for ultra supercritical boiler.

超(超)临界锅炉,不锈钢管,性能
Ultra supercritical boiler,Stainless steel tubes,Characteristics

1 前言

锅炉过热器和再热器工作时,面临着高温、高压水蒸气的氧化、高温腐蚀和烟气中煤粉颗粒的腐蚀、承受极高的压力,是对材料要求最高的部件。以前,对亚(超)临界的过热器和再热器的高温段,国外主要用常规的18-8类Cr-Ni奥氏体不锈耐热钢或含9-12Cr%的铁素体耐热钢。随着蒸汽参数进一步上升达到超超临界参数时,则需要高温强度更高、耐腐蚀能力更强的奥氏体耐热钢甚至于耐热合金。
实际上,各发达国家对此类耐热钢研发极为重视。由于日本的钢铁工业强大和深厚的基础研究,故自上世纪八十年代以来,其新开发的锅炉用不锈耐热钢管较多,部分已被批准列入ASME规范,如TP347HFG、SUPER304H、HR3C、XA704等。由于我国电力形势发展,超(超)临界锅炉机组大量生产,在高温过热器、高温再热器及屏式过热器等关键部件均采用了这类新型奥氏体不锈钢管。
为了进一步推广这类ASME不锈耐热钢在国内的应用,也给我国超超临界锅炉选材提供更多选择,本文根据ASME Code case[1-3]、住友金属和新日铁试验研究[4-6],对SUPER304H、HR3C、XA704的化学成分、强化机理、金相组织、力学性能、许用应力、抗氧化性、抗腐蚀性能、焊接性能、物理性能等方面的特性进行了介绍。

2.各钢管简介
SUPER304H是由住友金属和三菱重工在TP304H的基础上,通过降低Mn含量上限,加入约3%的Cu、约0.45%的Nb和一定量的N,而得到的一种新型奥氏体不锈耐热钢管,由ASME Code Case 2328-1[1]予以确认。
XA704钢管则系日本新日铁公司在TP347H基础上,对成分做了进一步完善改进:降低了C、Ni含量、加入了较多W、V、N等元素,而形成具有很高许用应力、高抗晶间腐蚀的、专用于超(超)临界锅炉的新型奥氏体不锈钢,由ASME Code Case 2475[2]确认,新日铁向ASTM标准提交草案中拟命名为TP347W。
HR3C是住友金属考虑到18-8型在含硫较多的环境中无足够的耐蚀性,而TP310型钢虽有足够的耐蚀性、但持久强度低的状况,在TP310基础上,添加了一定量的Nb、N,而开发出的高Cr、Ni含量的新型奥氏体不锈耐热钢,由ASME Code Case 2115-1[3]确认。

3.化学成分与强化原理

3.1化学成分
规范对三种钢管的化学成分要求见表1[1-3]。从表中可以明显看出,SUPER304H与XA-704两种钢管所用的基础钢种基本相同,均为18-8奥氏体不锈钢,而HR3C钢中则含有更高的Cr、Ni、Mn和N,其基础钢种为25Cr-20Ni。
表1:各钢管化学成分

规范

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Nb+Ta

N

Cu

Al

B

SUPER304H

0.07-
0.13

≤1.00

≤0.30

≤0.04

≤0.01

17.0-
19.0

7.50-
10.50

0.20-
0.60

0.05-
0.12

2.50-
3.50

0.003-
0.03

0.001-
0.01

XA704


0.05


2.00


1.00


0.04


0.03

17.00-
20.00

8.00-
11.0

0.25-
0.50

0.10-0.25

W:1.50-
2.60

V:0.20-
0.50

 

HR3C

0.04-
0.10

≤2.00

≤0.75

≤0.03

≤0.03

24.0-
26.0

17.0-
23.00

0.20-
0.60

0.15-
0.35

 

 

 

3.2强化机理
三种钢管均是在常规奥氏体不锈钢基础上,添加了一些特殊强化元素而成的,而从各钢管的强化元素来看,Nb、N成为这类新型奥氏体不锈耐热钢管必不可少的强化元素。其强化原理是:结合了固溶强化、沉淀强化与时效沉淀强化等的多元素微量复合强化。
SUPER304H:最主要的特色是加了约3%的Cu作为特殊强化元素,此外加了一定量Nb、N、及微量Al和B。这些元素的存在,在钢中形成了N的固溶强化、服役时微细弥散析出的富铜相与NbC、NbN、NbCrN和M23C6等产生沉淀强化作用,从而得到高的许用应力,在600-700℃,其105小时的持久强度为TP347H钢的1.2倍以上[4]。
XA704:最重要特点是加入了约2%的W、降C,此外加N、V、Nb。这些元素的存在,在钢中起固溶强化(W、N)和沉淀强化(N、Nb)的复合强化作用;降C是为改善晶间腐蚀能力,加N是解决因降C造成钢的高温强度下降和奥氏体相的不稳定问题,加V以形成不易粗化的钒氮化物以加强沉淀强化效果,加铌则以铌氮化物进行沉淀强化、改善奥氏体不锈钢高温强度、并细化晶粒提高抗氧化性[5]。
HR3C:在25Cr-20Ni钢的基础上,加了Nb、N元素,在钢中起固溶强化和沉淀强化作用;其中的NbCrN氮化物沉淀有效提高了蠕变断裂强度,镍和氮含量的提高有效地抑制了σ相形成,从而改善了韧性[6]。

4.热处理、金相组织以及晶粒度
三种钢管的供货态均为固溶处理,最低固溶处理温度均为1100℃[1-3],但各自有最佳的固溶处理温度范围。
SUPER304H经固溶处理后,金相组织应为奥氏体+细小弥散的第二相沉淀物,晶粒度应为7-10级;
XA704固溶处理后,金相组织同样为奥氏体+细小弥散沉淀物;而对于晶粒度,规范里并没有明确规定,但从超(超)临界锅炉用管对高温抗氧化性的要求来看,应为细晶粒,以7-10级为宜。
HR3C固溶处理后,金相组织同样为奥氏体+细小弥散沉淀物;这是粗晶钢,晶粒度应为7级或更粗。

5.力学性能
规范[1-3]对各钢种的室温力学性能要求见表2。从室温强度的要求上来看,HR3C最高、XA704次之、SUPER304H的最低,而塑性要求SUPER304H更高。
表2:室温力学性能

规范

拉伸性能(纵向)

硬度HB(HRB)

ReH (MPa)

Rm (MPa)

A(%)

SUPER304H

≥235

≥590

≥35

≤219(95)

HR3C

≥295

≥655

≥30

≤256(100)

XA704

≥260

≥620

≥30

≤219(95)

6.许用应力
规范对各钢种在不同温度下的许用应力要求见表3,均来自于规范[1-3]许用应力的内插值。
表3:钢管的许用应力σ(MPa)

温度℃

525

550

575

600

625

650

675

700

732

SUPER304H

84.5

83.4

82.2

81.6

80.3

77.8

61.2

47.0

32.4

HR3C

115.2

113.6

112.0

106.6

90.3

69.0

53.6

41.2

29.6

XA704

91.6

91.1

90.9

90.8

90.8

80.8

63.3

49.7

36.2

从表中可以看出,在超(超)临界锅炉用钢管的金属温度范围内,XA704的许用应力都要比SUPER304H的高,HR3C最低。

7.物理性能
表4、5、6分别示出了SUPER304H[7]、HR3C[7]和XA704[5]钢管的物理性能。其中线膨胀系数是室温与各温度之间的平均值,单位为α×10-6(1/℃);导热系数单位为W/m.K;弹性模量单位为GPa。
从表中可以看出,XA704、SUPER304H、HR3C的线膨胀系数依次下降,而导热系数却HR3C、XA704、SUPER304H顺次更高。
表4:SUPER304H的物理性能

性能

室温

100℃

300℃

500℃

600℃

700℃

800℃

900℃

1000℃

线膨胀系数

 

16.4

17.5

18.1

18.4

18.6

18.8

19.1

19.5

导热系数

14.5

16.2

21.5

25.2

28.6

31.0

31.0

31.8

32.2

弹性模量E

189

182

165

149

141

134

127

120

107

表5:HR3C钢的物理性能

性能

室温

100℃

300℃

500℃

600℃

700℃

800℃

900℃

1000℃

线膨胀系数

 

13.38

16.01

17.18

17.51

17.86

18.17

18.48

18.78

导热系数

12.1

 

16.1

 

20.1

 

 

24.8

26.4

弹性模量E

197

195

179

164

153

147

141

135

128

表6:XA704钢的物理性能

性能

室温

100℃

300℃

500℃

600℃

700℃

800℃

线膨胀系数

 

16.6

18.2

19.1

19.4

20.0

20.5

导热系数

14.51

15.33

18.8

22.59

22.63

665℃时25.79

---

弹性模量E

193

189

174

159

150

142

134

8.抗腐蚀性能

8.1抗氧化性
由于相关资料并没有直接比较三种钢的抗氧化性,故依据资料[4,6,8]的相关试验数据(650℃的蒸汽抗氧化性试验)对三种钢的抗氧化性进行间接比较,在这些试验中均是以TP347HFG的氧化层深作为基础参照。
数据对比表明:同为细晶粒的SUPER304H、XA704、TP347HHFG的氧化层深分别为125、120、100%,粗晶HR3C则仅为15%左右。这说明HR3C的抗氧化性极优、SUPER304H与XA704的抗氧化性基本相同、与TP347HFG的相近。这主要是因为HR3C的高Cr含量设计,大大提高了其抗氧化性,而SUPER304H、XA704与TP347HFG的Cr含量基本相同,它们的抗氧化性也基本相同。

8.2高温抗腐蚀性能
相关资料同样没有直接比较三种钢的抗腐蚀性,故仍根据资料[4,6,8]的相关试验数据(650℃的煤灰腐蚀试验)对三种钢的抗腐蚀性间接比较,同样以TP347HFG的重量损失作为基础参照。
对比数据表明:同为细晶粒的SUPER304H、XA704、TP347HHFG的重量损失分别为125、130、100%,HR3C则仅为45%左右。这结果说明HR3C的抗腐蚀性也好得多,SUPER304H与XA704的基本相同、略低于TP347HFG;这同样是因为不同钢种的Cr含量不同所致。

9.焊接性能
三种不锈钢的焊接性能都尚可,均可采用GTAW或SMAW进行焊接。SUPER304H的热裂敏感性比TP347H更低,XA704钢热裂敏感性低于TP304H和310,HR3C热裂敏感性与TP347H基本相同。

10.结语
前面比较分析了用于超(超)临界锅炉机组过热器和再热器用新型ASME奥氏体不锈耐热钢管SUPER304H、XA704和HR3C的性能及特点。虽三者均为奥氏体不锈钢,但由于成分不同,性能也有所差异:XA704钢管的许用应力最高,SUPER304H钢在650℃以上的许用应力也较HR3C高,但HR3C钢的耐蚀性和抗氧化性更佳。

参考资料
[1] The ASME Boiler and Pressure Vessel Standards Committee. Cases of ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2328-1
[2] The ASME Boiler and Pressure Vessel Standards Committee. Cases of ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2475
[3] The ASME Boiler and Pressure Vessel Standards Committee. Cases of ASME Boiler and Pressure Vessel Code 2115-1
[4] TakaoKan and others. Properties and experiences of a new austenitic stainless steel SUPER304H(0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N) for boiler tube application,日本住友提供交流资料,2002.2
[5] Nippon Steel Corporation. Properties of XA704 austenitic stainless steel boiler tube,日本新日铁提供技术交流资料,2005.12
[6] Characteristics of new steel tube(HR3C) with high elevated temperature strength and high corrosion resistance for boiler,日本住友提供交流资料2002.9
[7] Physical properties of new steel tubes for boiler, 日本住友提供交流资料. 2001.8
[8] Ishitsuka T. and Mimura,H. Development of new 18Cr-9Ni austenitic stainless steel boiler tube. Materials for advanced power engineering, liege, 2002 III.1321

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