電站鍋爐用TP310HCbN無縫管的性能參數介紹

太鋼超超臨界電站鍋爐用TP310HCbN無縫管的研制

本文闡述了太鋼研制的TP310HCbN 耐熱無縫鋼管的生產工藝流程、主要設備參數,以及生產過程中采取的主要工藝措施。同時,介紹了以優質廢鋼做為原料,采用“電爐+AOD精煉”兩步法生產的TP310HCbN耐熱無縫管的冶金質量、性能特點及其應用情況。

西方針對超超臨界火電機組關鍵不銹鋼材料的使用環境特點,闡述了太鋼耐熱鋼TP310HCbN的設計原理、強化機制、生產工藝流程及主要工藝技術措施。采用TEM、EDS等分析測試方法,對組織、焊縫、析出物進行了細致研究,同時對常規力學性能、高溫拉伸性能、持久性能等進行了測試。開發的TP310HCbN耐熱無縫鋼管組織均勻、綜合性能良好,產品已進入批量生產階段。

在超超臨界火電機組的主要受壓部件中,過熱器和再熱器工作溫度最高(>600℃),承受壓力最大(25~31MPa),面臨著高溫水蒸汽氧化、煤燃燒時生成熔融Na-K-Fe三元硫酸鹽帶給的高溫煙氣腐蝕,以及由于機組的啟停、變載荷、煤質波動而產生的熱應力的波動_[1]。

因此,惡劣的工作環境要求制備過熱器、再熱器等高溫段的材料具有：1). 良好的組織穩定性; 2). 良好的高溫性能,即優異的抗高溫蠕變性能、高的持久強度及良好的抗高溫蒸汽腐蝕性能; 3).良好的抗晶間腐蝕性能; 4).良好的焊接性能和成型性能等_[2]。

1 生產工藝流程

太鋼生產TP310HCbN耐熱無縫鋼管的工藝流程為:原料→90t電爐→45t AOD 精煉→45tLF爐深處理→模注→1800t 徑鍛成管坯→管坯加熱→6000t 熱擠壓→冷軋→中間熱處理→冷軋→成品熱處理→矯直→酸洗→檢驗→入庫→包裝。

2 研制結果

2.1 冶金質量

2.1.1 化學成分控制范圍及實物水平

化學成分控制范圍及實物水平見表₁、表₂。檢驗結果表明：太鋼TP310HCbN耐熱無縫鋼管化學成分均符合GB/T5310和ASME SA-213M 及相關鍋爐廠采購規范的要求;化學成分控制穩定,尤其在C、Cr、Ni、N、Nb等主要元素方面具有控制波動范圍窄,有害元素含量低的特點。

2.1.2 夾雜物分析

按照GB/T10561標準,對太鋼TP310HCbN耐熱無縫鋼管的夾雜物進行檢查,檢測結果見表₃。

檢驗結果表明:太鋼TP310HCbN耐熱無縫鋼管鋼中非金屬夾雜物滿足GB/T5310和ASMESA-213M及哈鍋及東鍋采購規范的要求。該TP310HCbN耐熱無縫鋼管鋼質非常純凈。

2.2 微觀組織及晶粒度

按照GB/T13298和GB/T6394標準,對太鋼TP310HCbN耐熱無縫鋼管縱截面進行了金相檢驗,試制樣管的組織均為奧氏體,晶粒度控制在5~6級別,均滿足GB/T5310和ASME SA-213M 及相關鍋爐廠采購規范的要求(圖1)。

圖1 太鋼Φ57mm×8mmTP310HCbN耐熱無縫鋼管晶粒度

2.3 關鍵性能指標

2.3.1 常規力學性能及硬度

按照GB/T228 和GB231.1標準,對太鋼TP310HCbN耐熱無縫鋼管進行了常溫力學性能及硬度檢測,檢測結果見表₄。檢測結果表明,太鋼TP310HCbN無縫管常溫力學性能滿足GB/T5310、ASTM A213/A213M 相關鍋爐廠采購規范的標準要求。

2.3.2 高溫拉伸性能

按照GB4338標準要求,對太鋼TP310HCbN無縫管進行了高溫拉伸性能測試,試驗數據見圖2。試驗結果表明,太鋼TP310HCbN無縫管高溫拉伸性能滿足GB/T5310及相關鍋爐廠采購規范的標準要求。

圖2 太鋼TP310HCbN高溫拉伸性能結果

2.3.3 高溫持久強度

對太鋼的TP310HCbN無縫管進行了700℃的高溫持久試驗,試驗數據見表₅。

根據試驗數據進行回歸處理的持久結果:外推出樣管700℃、10萬h 的持久強度為大于等于166.8MPa,達到了GB/T5310標準中TP310HCbN鋼中的700℃、10萬h持久強度大于等于62MPa的規定。

2.3.4 耐晶間腐蝕性能

將太鋼TP310HCbN 無縫管按照GB/T4334或ASTM A262-02a E法進行了晶間腐蝕試驗(圖3)。試驗結果表明:該TP310HCbN 無縫管耐晶間腐蝕性能滿足GB/T5310及相關鍋爐廠采購規范的標準要求。

圖3 太鋼TP310HCbN無縫成品管耐晶間腐蝕性能

2.4 工藝性能

2.4.1 擴口和壓扁試驗

按照ASME SA-450M標準,對太鋼TP310HCbN無縫管進行了擴口及壓扁試驗,試驗結果見如圖4所示。試驗結果表明:該TP310HCbN無縫管擴口及壓扁性能滿足GB/T5310及相關鍋爐廠采購規范的標準要求。

圖4 太鋼TP310HCbN無縫成品管擴口及壓扁試驗情況

2.4.2 焊接性能

分別選用太鋼 Φ57mm×8mm 和 Φ45mm×8.5mm TP310HCbN無縫管作為焊接樣管進行同鋼種焊接。焊接方式采用鎢極氬弧焊,直流正接,選用德國蒂森伯樂的鎳基THERMANT617焊絲,焊接接頭示意圖見圖5,工藝參數見表₆。焊接接頭組織見圖6,接頭力學性能檢測及彎曲試驗結果見表₇。試驗結果表明:太鋼TP310HCbN不銹鋼的焊接接頭的微觀組織及拉伸性能滿足JB4708及GB/T5310標準要求。

圖5 焊接接頭示意圖

圖6 焊接接頭金相組織

2.5 表面質量與尺寸精度

太鋼TP310HCbN無縫管表面為固溶酸洗狀態,其表面質量與尺寸精度均滿足GB/T5310及相關鍋爐廠采購規范的標準要求。

3 分析與討論

3.1 合金設計與成分控制

TP310HCbN是日本住友在TP310基礎上通過復合添加Nb、N 合金元素研制出的一種新型耐熱鋼,與S30432相比,更適用于制作超超臨界鍋爐中的蒸汽條件極其惡劣、抗腐蝕性要求更高的過熱器或再熱器鋼管。與傳統TP310相比,具有更高的奧氏體組織穩定性、防止和抑制σ析出的特點。按照過熱器和再熱器在實際使用過程中鋼管溫度通常高于蒸汽溫度的30~50℃考慮,并承受25.4~30.0MPa左右的壓力,結合電站鍋爐自身對安全性、長壽命、長維護周期以及經濟性等方面因素影響,對1000MW 超超臨界電站鍋爐過熱器和再熱器用不銹鋼管進行了強化機制研究和合金成分設計。

3.1.1 強化機制研究

通過對TP310HCbN鋼管電鏡觀察和分析,結果表明:其強化機制主要是依靠穩定奧氏體基體上分布著晶內析出的NbCrN、Nb(C,N)、M₂₃C₆進行強化。與10Cr₁₈Ni₉NbCu₃BN (UNS S30432)相同,當蠕變發生時,析出的納米級Nb(C,N)、NbCrN和M₂₃C₆由于和基體熱膨脹的差異,使納米級析出相的周圍萌生位錯,這些位錯又為隨后沉淀出析出相提供格點釘扎新的位錯,以阻止蠕變滑動。

因此,材料服役中在晶內、層錯、位錯、晶界上不斷沉淀析出的多種納米級析出相對材料抗蠕變性能起到了較好的析出強化作用,從而提高了材料的蠕變破斷壽命。納米級析出相數量越多、尺寸越小、穩定性越強,則材料的抗高溫蠕變性能越好、高溫持久強度也越高_[3-6]。圖7和圖8為太鋼生產的TP310HCbN成品管晶內Nb(C,N)和NbCrN析出相的明場相、衍射花樣和能譜分析。圖9 為太鋼生產的TP310HCbN 材料在120MPa、700℃條件下時效1 239.5h后析出的Cr₂₃C₆透射電鏡照片。

3.1.2 合金成分設計

在上述TP310HCbN 不銹鋼強化機制研究的基礎上,圍繞如何產生數量多、尺寸小、分布廣、穩定性強的納米級析出物,進行相應的成分設計,以改善高溫蠕變性能,提高高溫持久強度(圖10)。

綜合考慮上述因素初步確定該品種應采用“低C、高N,中上限控Nb、Cu,合理的Cr、Ni含量”的合金化設計體系,結合以往生產經驗,最終成分(質量分數,%)控制范圍為：C 0.05~0.08、Si≤0.65、Mn≤1.5、P≤0.025、S≤0.002、Cr 24.0~26.0、Ni 19.0~20.0、Nb 0.35~0.55、N 0.20~0.30。

圖9 太鋼TP310HCbN時效管晶內Cr₂₃C₆析出相的明場相、衍射花樣和能譜分析

圖10 TP310HCbN不銹鋼合金成分設計思路

3.2 有害元素及殘余元素的控制

采用傳統的廢鋼原料,冶煉不銹鋼時會導致鋼中含有不必要的有害雜質元素(P、S及五害等)在鋼中的某些部位的富集而存在,不僅會影響到鋼的耐腐蝕性能,更重要的是影響到鋼的熱加工性能,而選擇太鋼內部優選的廢鋼原料,使有害元素(質量分數,%)的控制到了最低限度(P≤0.025、S≤0.002、Pb、Sn、Sb、As、Bi各小于等于40×10^-6,總量不大于150×10^-6)。

3.3 夾雜物控制

鋼中夾雜物的存在不僅危害鋼管的使用性能,更惡化鋼材的冷、熱加工性能,因此要對鋼中夾雜物數量、大小以及形貌進行控制。在精煉過程通過采用Si-Al復合脫氧,LF深脫氧、深脫硫技術和鈣處理技術,可以對夾雜物變性,使其數量大幅度減少,尺寸控制為小于等于5μm以內。

3.4 N含量的控制

針對太鋼AOD爐冶煉過程中的供氣制度,分析計算出氮在AOD爐中溶解、脫除規律,開發出在AOD精煉工藝上對氮含量的精確控制模型。采用該模型,開發了TP310HCbN 耐熱鋼AOD冶煉高氮鋼完全氮氣合金化工藝,使TP310HCbN成品實測氮范圍在(2300~2700)×10^-6之間,按目標氮范圍要求則命中率達100%,見表₈。

3.5 熱加工溫度的控制

為了使鑄態粗大的奧氏體組織盡可能發生動態再結晶,防止熱加工裂紋的產生,在鋼錠徑鍛開坯過程中,加熱制度均熱溫度限定在1220~1250℃,保證了直接由熔體大量生成NbN 和再結晶過程中形成的Nb(CN)充分溶解;熱擠壓時,溫度控制在1180~1200℃,有力地防止了擠壓后期材料溫升過快,工件進入高溫低塑性區而開裂。

3.6 熱處理

成品熱處理溫度在1200~1220℃之間,保溫恰當的時間,出爐快冷,以保證成品鋼管平行于軋制方向的晶粒度控制在5~6級的同時,敏化態的晶間腐蝕合格。

從鋼管的冶金質量、組織、常規檢驗和高溫性能、耐腐蝕性能及相關工藝性能檢測結果分析,太鋼產TP310HCbN 各項性能指標全部滿足滿足GB/T5310和ASME SA—213M 及相關鍋爐采購規范的要求,太鋼生產TP310HCbN 鍋爐管成分、性能穩定、工藝成熟。

4 認證及應用情況

太鋼開發的TP310HCbN 耐熱不銹鋼無縫鋼相繼通過了哈鍋、東鍋、上鍋、北京巴威的技術評定,上海發電設備成套設計研究院的性能復評,中國機械工業聯合會組織的行業新產品成果鑒定及國家鍋容標委組織的技術評審,并獲得了鍋爐法規及國家法定生產資質《鍋爐壓力容器用材料技術評審證書》,太鋼生產TP310HCbN奧氏體耐熱鋼管,滿足中國鍋爐法規和相關技術標準的要求,可用于超(超)臨界鍋爐的過熱器和再熱器等部件,以及類似工況的受壓元件。目前已生產了400t的TP310HCbN 管坯,應用在哈鍋、東鍋的江蘇呂次港、江西井岡山項目。鋼管具備了批量生產階段。

5 結論

1)根據超超臨界電站鍋爐中使用環境的特點,太鋼通過合理的成分設計,選擇并優化了冶煉工藝、模注工藝、軋制工藝、熱處理工藝,開發出了TP310HCbN耐熱無縫鋼管不銹鋼無縫鋼管鋼管,其表面質量、幾何尺寸、化學成分、組織、晶粒度、夾雜物、室溫力學性能、高溫性能、耐腐蝕性能以及壓扁、擴口、焊接等各項指標均滿足GB/T5310和ASMESA-213M 及相關鍋爐廠采購規范的要求,實物質量達到國外同類產品水平,具備批量生產條件。

2)太鋼開發的TP310HCbN 耐熱無縫鋼管滿足了中國鍋爐法規和相關技術標準的要求,可用于超(超)臨界鍋爐的過熱器和再熱器等部件,以及類似工況的受壓元件。

參考文獻:

[1] Koe Nakajima.Recent Trends of Steel Science and Technology for Environmental Strategy[J].Journal of Materials Processing Technology,1996,59(3):221.

[2] 劉正東,程世長,王起江,等.中國600℃火電機組鍋爐鋼進展[M].北京:冶金工業出版社.2011.

[3] 郭巖,林琳,侯淑芳,等.國產TP310HCbN鋼在高溫應力下的組織結構[J].中國電力,2012,4(10):42.

[4] Li P H,Ibraheem A K,Priestner R.Eutectic Precipitation of(TiNbV)(CN)in Cast,Microalloyed low-C Austenite and Effects of Reheating [J].Materials Science Forum,1998,284-286:517.

[5] 李太江,劉福廣,范長信,等.超超臨界鍋爐用新型奧氏體耐熱鋼HR3C的高溫時效脆化研究[J].熱加工工藝,2010,39(14)43.

[6] 劉俊建,陳國宏,王家慶.時效熱處理對HR3C鋼組織結構及力學性能的影響[J].合肥工業大學學報,2011,34(1)

[7] 本文全文PDF格式文件下載：太鋼超超臨界電站鍋爐用TP310HCbN無縫管的研制.pdf