超臨界超超臨界鍋爐鋼管標準的對比研究

超臨界超超臨界鍋爐鋼管標準的對比研究

0鍋爐材料標準20世紀的能源發(fā)電技術取得了輝煌的成就。能源發(fā)電已經成為能源轉化和使用的主要方式，已成為國家經濟發(fā)展的象征。同時，它也是人們生活方式不斷提高的物質基礎。提高火力發(fā)電機組的運行參數(shù),是實現(xiàn)電能生產高效、潔凈、經濟、可靠、安全要求的最重要途徑之一。經過幾十年的發(fā)展,超臨界火力發(fā)電已經是一種比較成熟的先進技術,但隨著蒸汽溫度和壓力的提高,鍋爐中的關鍵材料——鍋爐鋼管,成為影響火力發(fā)電機組可靠性的主要因素。近20年來,美國、日本及歐洲發(fā)達國家在新材料技術開發(fā)方面進行了大量的試驗研究工作,開發(fā)了一批性能優(yōu)異的新型鋼種。用這些新型鋼種制造的鋼管,在許多國家的大型電站鍋爐中被廣泛使用,并被納入電站建造規(guī)范和鋼管產品標準,補充完善了已有的鍋爐鋼管的標準體系,促進了超臨界火力發(fā)電技術的發(fā)展。材料標準是材料應用的載體。對鍋爐制造行業(yè)來說,ASME標準無疑是目前世界上最具權威、最先進、最完善的鍋爐建造規(guī)范和標準。我國的鍋爐行業(yè)在引進超臨界火力發(fā)電機組鍋爐的制造技術時,幾乎無一例外地采用了美國機械工程師協(xié)會(ASME)制訂、頒布和實施的鍋爐壓力容器技術規(guī)范,它不僅被作為美國標準,同時也被國際上眾多國家認可和采用。ASME規(guī)范第Ⅱ卷材料篇,主要引用了美國材料試驗學會(ASTM)相應的材料標準和材料試驗標準。在ASME規(guī)范中允許使用的材料一般來說必須按照第Ⅱ卷的材料標準供貨。因此,只有認真研究ASME材料標準,并與我國現(xiàn)行鍋爐鋼管標準進行對照與分析,找出二者之間的差距,才能建立適合我國超臨界火力發(fā)電機組發(fā)展的完善的鍋爐鋼管標準體系。1asme鍋爐鋼管標準體系我國現(xiàn)行的鍋爐鋼管標準可分為通用標準和產品標準兩層。其中通用標準有2個,產品標準有5個(3個國家標準和2個冶金行業(yè)標準)。ASME規(guī)范第Ⅱ卷材料A篇(鐵基材料)中,常用的有關鍋爐鋼管標準有19個(不包括鍋爐輔機專用鋼管),按體系也可以分為兩層,即通用標準4個、基礎標準1個和產品標準14個。其中4個通用標準按照鋼管的用途,分為Tube鋼管(指滿足SA-450/SA-450M《碳素鋼、鐵素體合金鋼和奧氏體合金鋼管(T)通用要求》和SA-1016/SA-1016M《鐵素體合金鋼和奧氏體合金鋼管(T)通用要求》的鋼管)以及Pipe鋼管(指滿足SA-530/SA-530M《專門用途碳素鋼和合金鋼管(P)通用要求》和SA-999/SA-999M《合金鋼和不銹鋼管(P)通用要求》的鋼管)兩大類。不同用途的鋼管既要符合相應的產品標準要求,也要符合通用標準要求。14個產品標準按照鋼管的制造工藝,又可分為軋制無縫鋼管、鍛造鏜孔無縫鋼管、離心鑄造鋼管和焊接鋼管等。我國GB與ASME常用鍋爐鋼管標準體系對照見表1。對照ASME標準可以看出:ASME鍋爐鋼管標準體系和內容清晰、技術性突出、貿易性明顯,充分體現(xiàn)了對鍋爐鋼管的特殊性能要求,用戶在選擇和使用上非常方便。因此,現(xiàn)階段應參考國際先進標準,對我國的鍋爐鋼管標準及體系加大力度重新予以制(修)訂,適時補充同類產品的通用標準,以及與鍋爐鋼管有關的定義、術語等基礎標準,以適應先進的超臨界鍋爐技術的發(fā)展對鍋爐鋼管的要求。2產品標準不統(tǒng)一ASME鍋爐鋼管標準的制訂是按材料、用途和制造方法加以區(qū)分的,標準內容除了規(guī)定這一類材料的基本性能外,對具體用途和注意事項,以及協(xié)議條款等都有非常詳細的規(guī)定。而我國鍋爐鋼管產品標準是將大小口徑、尺寸公差、薄壁與厚壁、一般性能和高溫性能、試驗方法等放在一起表述,對鍋爐鋼管的特殊性能要求體現(xiàn)不夠。為此,建議在以下方面進行完善。2.1產品標準1產品標準內容混亂不同口徑和壁厚的鋼管在制造、熱處理、尺寸公差以及檢驗方法等方面存在著很大的差異?，F(xiàn)行的產品標準在內容上未將大小口徑、薄壁與厚壁鋼管區(qū)分開來,且都偏重于描述小口徑鋼管的制造檢驗等技術內容,造成大口徑厚壁鋼管許多技術條款的空缺。因此,在標準中有必要將大小口徑、薄壁與厚壁鋼管分開,并分別加以描述和規(guī)定。2大口徑厚壁鍋爐鋼管電站鍋爐鋼管的生產“瓶頸”在于大口徑厚壁鋼管。目前在大型電站鍋爐集箱和管道上使用的許多大口徑(外徑在600mm以上)、厚壁(壁厚在40mm以上)鋼管,受到國內軋管機裝備和生產能力的限制,在一定時期內還只得依賴進口。但是有些品種可以采用鍛造鏜孔的方法制造,以代替部分進口。ASME標準中的鍛造鋼管主要分為兩類:一類是采用普通鍛造實芯鋼棒經機加工而成,這種鋼管只適用于管接頭等管件,外徑不超過NPS4(114.3mm),如SA-181/SA-181M《一般管道用碳素鋼鍛件》、SA-182/SA-182M《高溫用鍛制或軋制合金鋼管道法蘭、鍛制管配件、閥門和零件》等;另一類是鋼坯經過較大鍛造比的鍛造后,采用機加工鏜孔的方法制造的大口徑厚壁鋼管,可用于鍋爐集箱和蒸汽管道,如SA-369/SA-369M《高溫用碳素鋼和鐵素體合金鋼鍛造及鏜孔鋼管(P)》等。我國現(xiàn)已擁有成熟的鍛造鏜孔工藝制造大口徑厚壁鍋爐鋼管。例如,武漢重型鑄鍛廠采用鍛坯沖孔、拔伸、機加工的方法,內蒙古北方重工集團采用鍛造比∧3的實芯鍛坯再經機加工的方法等,制造出了符合鍋爐行業(yè)要求的大口徑厚壁鍋爐鋼管。我國現(xiàn)已制訂了鍛造鏜孔鍋爐鋼管的制造、檢驗和驗收標準YB/T4173并將實施。3大口徑焊接高壓鍋爐鋼管的可行性采用焊接小口徑鋼管制造鍋爐水冷壁及低溫過熱器等部件,與軋制無縫鋼管相比,可以節(jié)約成本。另外在超臨界火力發(fā)電機組鍋爐中,汽水分離器、旁路管道和一些蒸汽輸送管道等鋼管,外徑大多在500mm以上,壁厚一般只有20~30mm,相對而言采用焊接鋼管要比無縫鋼管更經濟合理。現(xiàn)行的YB4102《低中壓鍋爐用電焊鋼管》,在外徑、壁厚及技術質量等方面的規(guī)定不適合高壓以上鍋爐鋼管使用。因此適時地制訂我國大口徑焊接高壓鍋爐鋼管的相關標準,顯得日臻重要。在焊接鋼管標準中,還應有專門條款對所使用的鋼板的級別、技術條件以及焊接、熱處理、無損檢測等方法進行具體嚴格的規(guī)定。4標準適用于高溫高壓工作條件SA-660《高溫用離心鑄造碳素鋼管》規(guī)定的是采用離心鑄造工藝生產的碳素鋼管,該標準適用于高溫高壓工作條件,可用于鍋爐內的輸送管道,可以采用熔化焊、彎曲及其他成型加工的鋼管?，F(xiàn)階段ASME尚未批準將離心鑄造的合金鋼管用于鍋爐產品。采用鑄造工藝生產鋼管,成本低廉、工藝簡化,特別是不受尺寸的限制,因此是一種值得借鑒的發(fā)展方向。2.2鍋爐鋼管的核心標準在鍋爐鋼管產品標準中,GB5310是鍋爐行業(yè)使用的最重要的冶金產品標準之一,可以算是我國鍋爐鋼管的核心標準,其水平的高低關系到鍋爐鋼管質量和鍋爐制造的技術水平。對照ASME規(guī)范中SA-210/SA-210M、SA-213/SA-213M、SA-335/SA-335M和SA-106等標準,我國鍋爐鋼管產品標準水平的提高,主要應體現(xiàn)在以下幾個方面。1鋼管尺寸表的編制應參照ASME規(guī)范中的SA-210/SA-210M、SA-213/SA-213M等“Tube”鋼管標準,外徑以5in(127mm)為限,將大小口徑鋼管分開描述和規(guī)定,并取消篇幅宏大的尺寸表,直接引用GB/T17395《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》。2提高鋼的純凈度20世紀60年代以后,大型高爐、氧氣轉爐、連續(xù)鑄鋼和新型連軋機的投產,使鋼鐵生產面貌發(fā)生了巨大變化,此后出現(xiàn)了煉鋼-爐外精煉-連鑄三位一體的煉鋼流程。鋼的純凈度提高到一定程度,可以大幅度提高鋼的性能,爐外精煉是降低鋼中有害雜質,生產純凈鋼的好方法。要生產高性能的鍋爐鋼管,應緊跟和鼓勵采用當前世界上先進的煉鋼澆鑄技術,采用爐外精煉或電渣重熔,并增加對連鑄鋼坯的強制性低倍檢驗,以確保鋼坯質量。3鋼鐵條件限制有色金屬(銅、鎳、鉻等)及一些危害很大的痕量元素(鉛、錫、砷、銻、鉍)由于煉鋼條件的限制,在冶煉過程中無法去除,為了不影響鍋爐鋼管的理化性能,標準中應對這類元素給予含量限定。氧對鋼的質量有很大危害,當采用鋁脫氧時,鋁會使碳素鋼和含鉬鋼石墨化傾向加大,因此應補充對碳鉬鋼管的酸溶鋁(或總鋁)含量的限定。4冷彎試驗替代壓至試驗大口徑厚壁鋼管的某些工藝性能試驗(如壓扁試驗),取樣和試驗很不經濟,因此應參照ASME標準中的SA-335/SA-335M等“Pipe”鋼管標準,對于口徑和壁厚之比小于一定值的大口徑厚壁鋼管,采用冷彎試驗替代壓扁試驗。5金相組織分類按照珠光體、貝氏體、馬氏體和奧氏體分類,描述材料的金相組織。這種分類方法也適用于鍋爐制造中的異種鋼的規(guī)定。如果有條件,可增加金相圖譜及一些新型材料中對性能有影響的其他相的評級和定量圖譜。6高溫物理性能要求我國鍋爐鋼管標準中缺少有關高溫基礎數(shù)據(jù),諸如高溫拉伸、蠕變極限、持久強度,以及膨脹系數(shù)等高溫物理性能的有關標準,可以參照ASME規(guī)范第Ⅱ卷D篇《材料性能》的模式,補充有關我國鍋爐用鋼材料的力學性能和物理性能,包括鍋爐設計選材中必須用到的高溫規(guī)定非比例延伸強度Rp0.2、持久強度等力學性能要求,以及常用的材料相變點、熱膨脹系數(shù)、彈性模量等物理性能要求。7新型耐熱鋼材料體系在原標準中已有的材料體系基礎上,應前瞻性的研究和引進一些ASME批準的、用于超臨界鍋爐的一些新型耐熱鋼材料體系,如T23/P23、T92/P92、E911、T122/P122、TP347HFG、Super304H、HR3C等,形成新的鍋爐用耐熱鋼材料體系。2.3國內新型耐熱鋼體系的開發(fā)為適應火力發(fā)電機組向超臨界/超超臨界的發(fā)展,提高材料的高溫性能,近20年來,美國、日本以及歐洲發(fā)達國家在開發(fā)電站新材料技術方面進行了大量的試驗研究,以進一步提高鐵素體鋼的高溫持久強度和奧氏體鋼的高溫強度、抗氧化抗腐蝕性、適用性和經濟性等為主要研究方向,充分利用多元復合強化原理,研究開發(fā)了許多性能優(yōu)異的新型鋼種。ASME規(guī)范隨著每三年一次的修訂和每年的增補,根據(jù)產品需要和冶金技術發(fā)展,也會不斷納入和增加代表當今世界最新材料技術水平的新型材料。我國鍋爐鋼管標準在新型材料的納標上顯得滯后,跟不上鍋爐制造技術的發(fā)展?，F(xiàn)行的GB5310-1995《高壓鍋爐用無縫鋼管》自修訂起,就對我國電力事業(yè)的發(fā)展做出了突出貢獻,并帶動了我國鋼鐵行業(yè)的技術進步和產品質量的提高。但該標準至今已經使用了10年之久,在材料品種規(guī)定方面供用戶選擇的余地小,特別是超臨界鍋爐用的高性能鋼管材料幾乎沒有納入,已不適應鍋爐行業(yè)的發(fā)展,也不利于我國冶金行業(yè)技術水平的提升和關鍵材料的國產化?，F(xiàn)階段獲得廣泛應用的超臨界鍋爐用新型材料,主要有鐵素體型耐熱鋼和奧氏體型耐熱鋼兩大類。鐵素體型耐熱鋼一般用于650℃以下鍋爐熱交換管、集箱和蒸汽管道,分為2Cr、9Cr和12Cr等三大系列。2Cr系列包括T/P23和T24等,與我國的鋼102和П11相似;9Cr系列包括T/P91、T/P92等;當溫度在620℃以上時,9Cr系列以下鋼的抗氧化性能有限,一般采用12Cr系列鋼,如T/P122等。在650℃以上時,鐵素體型耐熱鋼抗高溫煙氣腐蝕和高溫蒸汽氧化的能力有限,一般選用奧氏體型耐熱鋼。奧氏體型耐熱鋼主要用在過熱器/再熱器管的出口,這一范圍內的鋼管內壁會由于蒸汽氧化而生成氧化層,熱應力的作用會導致氧化層剝離并堆積在鋼管的彎曲部位,使鋼管發(fā)生過熱而爆管,剝離層也會造成汽輪機翅片的損傷,因此抗蒸汽氧化和煙氣腐蝕應成為考慮的重要因素。新型奧氏體型耐熱鋼主要分為18Cr和20-25Cr兩大系列:18Cr系列包括TP304H、TP347H、TP347HFG、Super304H等;20-25Cr系列鋼具有更優(yōu)異的抗蒸汽氧化性能和耐煙氣腐蝕性能,如TP310CbN(HR3C)等。對上述眾多獲得ASME規(guī)范認可的新型鐵素體和奧氏體鍋爐用耐熱鋼,需要加以認真研究并納入我國鍋爐鋼管標準。建造更高蒸汽參數(shù)的大型超臨界/超超臨界火力發(fā)電機組,以節(jié)約能源、改善環(huán)保狀況是我國今后經濟發(fā)展的基本國策。因此開發(fā)高性能的新型耐熱鋼,使這些ASME材料國產化,是我們今后的重要任務。國內新型耐熱鋼的開發(fā)策略應是優(yōu)先采用國外新材料的開發(fā)成果,通過性能試驗,認真分析研究新材料的性能,小批量試制生產,通過專家評定,逐步推薦推廣使用,并將開發(fā)研究成果納入我國鍋爐鋼管標準中,形成具有我國特色的超臨界/超超臨界機組鍋爐用新型耐熱鋼