至德鋼業Super304H不銹鋼管性能分析報告

 為了提高熱效率、降低發電成本，需要提高鍋爐的蒸汽溫度和壓力，自然要求開發具有高的高溫強度、經濟型的材料以在鍋爐上運用。以前，在大型鍋爐的過熱器和再熱器的高溫段，主要應用了諸如TP304H、TP321H、TP347H之類的18-8類奧氏體不銹鋼和9-12Cr系的熱強鋼。自從上世紀60年代、特別是80年代中期開始，超（超）臨界鍋爐機組的研制開發、安裝、投入運行以來，對應地研制開發了各種高持久強度、抗氧化性能良好以及高溫耐蝕性優良的新型材料，以滿足鍋爐機組不同部件對材料的要求。如低合金鋼、5Cr系、9Cr系、12Cr系、15Cr系、18Cr系以及20-25Cr系的熱強鋼，其中9-12Cr鋼和新型的奧氏體鋼的研制開發進展尤其神速。國內也有文章粗略介紹有關鋼種，分析這些新鋼種的優勢特點、探討用新鋼種在鍋爐上應用的可行性。

  其中之一的鋼種被稱之為SUPER304H。該鋼是由日本住友金屬株式會社和三菱重工在ASME SA-213TP304H的基礎上，通過降低Mn含量上限，加入約3%的Cu、約0.45%的Nb和一定量的N，使該鋼在服役時產生微細彌散、沉淀于奧氏體內的富銅相，并與其互相密合；該富銅相與NbC、NbN、NbCrN和M23C6一起產生極佳的強化作用，而開發得到很高的許用應力的一種新型的、經濟型的18-8奧氏體不銹鋼。其開發出來的目的，就是專用于超臨界鍋爐的過熱器和再熱器。從經濟觀點看，首先這種新鋼種不含昂貴的Mo、W等貴重元素；次之其許用應力較目前常用的ASME SA-213TP347H鋼要高約20%以上，其在鍋爐上的應用能減薄鋼管壁厚；相對地能降低鍋爐制造成本。目前該鋼已經納入日本MITI標準，2000年3月由ASME code case 2328予以確認，預計不久后將納入ASTM A-213標準。

  由于該鋼在日本電站鍋爐的過熱器和再熱器上的應用時間已達10年，用量已達6000余噸，顯示出良好的綜合性能。為了給我們今后設計、生產超（超）臨界機組鍋爐在選材提供一定數據依據，本文根據日本住友提供的技術交流資料和國內所做的評定試驗數據，對SUPER304H不銹鋼管的性能及特點進行評述介紹。

一、化學成分

  表示出了SUPER304H不銹鋼管的化學成分的有關規定。在鋼中加入適量的銅和鈮，是為了提高其持久強度、持久塑性、韌性和抗腐蝕性；對高溫抗拉強度有較大影響的氮含量上限控制在0.12%，主要是考慮到運行溫度下長期時效后塑性下降。國內的實測值也列于表中，從表中可以看出：日本住友所提供的SUPER304H不銹鋼管評定的分析結果，滿足表中規范所規定的要求。

二、供貨狀態與金相組織

  SUPER304H不銹鋼管的供貨狀態為固溶處理。經最終的固溶處理（最低固溶處理溫度1100℃）的熱處理后，金相組織應為單一的奧氏體組織，晶粒度應為7~10級。

三、性能

  在所有18-8類奧氏體不銹鋼中，SUPER304H的優點是因具有優良的持久強度，因而許用應力極高，且具有相當優異的抗腐蝕性、抗氧化性和良好的焊接性。因此，該種經濟型的鋼管在鍋爐過熱器和再熱器高溫段的應用，將給鍋爐制造上帶來相當大的便利、可降低制造成本，并可增強鍋爐運行的安全性。

 1. 力學性能

  表給出的數據是有關資料測試的SUPER304H不銹鋼管的室溫拉伸性能、硬度和0℃沖擊值，表3是高溫拉力試驗結果[8-10]，為便于比較，表中也列入了ASME SA-213TP347H的性能。從表中可看出，SUPER304H不銹鋼管的屈服強度和抗拉強度比常規的18-8不銹鋼管高，而塑性卻與TP347H不銹鋼管幾乎相同，這主要是得益于氮的固溶強化作用。

 2. 高溫持久強度

 測試結果表明：SUPER304H的應力-斷裂時間關系具有良好的線性關系，并沒有隨溫度提高和時間延長而導致斷裂應力下降的傾向。其105小時平均持久強度采用拉森—米勒參數法進行了多參數回歸分析進行外推計算。圖說明SUPER304H的105h持久強度（600℃、650℃、700℃）外推值比ASME SA-213 TP347規定值高20%以上；而資料[9]的試驗結果更高，650℃約高50%，為128MPa。在蠕變溫度范圍內，該鋼的持久強度的大大提高主要得益于鋼管在服役運行時，在奧氏體基體內析出的、并與之互相密合的微細富銅相的沉淀強化作用。此外，M23C6、Nb（C，N）和NbCrN的沉淀強化作用也有助于持久強度的提高。

 3. 長期時效性能

  該鋼在500℃至750℃、經最長達104小時時效后，進行了0℃沖擊和金相組織研究。圖是沖擊試驗結果。該結果說明：該鋼經高溫時效后，沖擊值出現降低現象，但這種下降趨勢在短期時效時間內就趨于穩定。即使經長期時效運行后，SUPER304也未有出現脆化現象，且具有足夠的韌性。在650℃進行試驗，最長保溫時間為5000小時，沖擊試驗結果趨向與日本住友資料報導相同；而強度、塑性和硬度則變化不大；時效后的金相組織沒有明顯變化。說明雖然SUPER304H中所含的9%鎳相對較低，但經長期時效后，金相組織仍是相當穩定，幾乎沒有觀察到塊狀σ相。這可能是因為對硅含量進行了控制以及加入了氮。

 4. 抗腐蝕性及抗蒸汽氧化性

  對該鋼在650℃的蒸汽抗氧化性試驗表明：SUPER304H鋼管在該溫度下的抗氧化性大大優于SA-213TP304H和TP347H，相同條件下的氧化腐蝕深度僅為TP304H的一半左右、為TP347H的67%左右，略差于細晶粒的TP347H；而耐蝕性優于TP304H，略遜于TP347H。這是因為其組織晶粒度細小、還添加了鈮。圖4與圖5示出了SUPER304H的抗蒸汽氧化性和高溫抗腐蝕性的結果。

 5. 許用應力σ

  由于該鋼加入Cu、Nb和N，產生了多元復合強化效果，故得到很高的許用應力，至少比ASMESA-213 TP347 高20%以上。表為ASME code case2328數值的內插許用應力數據。

四、工藝性能

  1. 焊接性能

     a. 焊接性

   SUPER304H不銹鋼管的焊接性是通過適宜檢測熱裂敏感性的可變拘束抗裂試驗和拘束抗裂試驗來進行評定研究。圖表明，SUPER304H的熱裂敏感性比TP347H更低。

    b. 焊接接頭性能

   表給出了焊接材料的化學成分，表則給出了試管的焊接條件。GTAW接頭的宏觀照見圖、彎曲形態見圖、微觀組織見圖，室溫和高溫下的強度都與母材相同，圖給出了用GTAW工藝焊制的接頭的持久強度試驗結果，焊接接頭的持久強度與母材的持久強度平均值相同，未發現其接頭持久強度降低的現象。焊縫金相組織為奧氏體加少量的鐵素體；焊縫的面彎和背彎(D=3T, 90°)均完好，表明焊縫有足夠的塑性和韌性；接頭的拉伸強度（室溫）滿足母材的技術條件要求，與母材的實測值較為接近見表8；焊接頭在650℃時的105小時高溫持久強度外推值為129MPa，幾乎與母材完全相同。

   c. 焊后熱處理

   焊后熱處理不是強制要求或必須進行。若在服役前的存放期間，能對熱影響區部分進行適當的保護處理，以防止促進應力腐蝕的氯離子侵蝕，則不必進行焊后熱處理；否則，推薦采用焊后熱處理，工藝如圖所示，圖為SUPER304H不銹鋼管的敏化曲線。

  2. 不銹鋼彎曲工藝

  該鋼適合各種彎曲工藝，只要該工藝對管子表面不產生損傷。在表10所示的彎曲工藝條件下，得到的管子彎頭的外觀示于圖，彎管的表面未發現裂紋。圖為管子彎頭橫截面的微觀組織。

  3. 橢圓度變化

  該鋼管彎曲后進行的尺寸測量表明：經冷熱加工的彎頭，其橢圓度最大為3.2%，且擠壓彎頭的橢圓度最大約為9.3%，與TP347H管彎后測得的橢圓度較接近，滿足我國行業標準JB/T1611《不銹鋼鍋爐管制造技術條件》和我公司DG1103《不銹鋼鍋爐管制造》標準，在實際生產應用中為可接受的橢圓度；同時彎后的壁厚減薄量也滿足標準的規定。這表明其彎管工藝性能良好，能夠滿足鍋爐部件制造的需要。

  4. 彎后熱處理

    a. 冷彎

    圖顯示了冷加工的SUPER304H不銹鋼管的蠕變斷裂性能。與原始材料相比，冷加工率高于20%時，其對持久強度的負面影響最大。從持久強度考慮，對彎心半徑不大于2.5DR（20%）的彎頭（或雖彎心半徑較大，但產生了較大的拉伸殘余應力）推薦采用彎后熱處理。若服役前沒有適當的防止氯離子侵蝕的保護措施，則所有彎心半徑的彎管均須熱處理，規范與焊后熱處理相同。資料同時指出，彎后硬度增加較多，應進行彎后熱處理。

    b. 熱彎

   除非熱加工溫度控制在1120℃~1150℃，否則須進行重新固溶處理，以恢復其正常的持久強度性能。

五、SUPER304H鋼管電廠長期時效后的性能

 SUPER304H不銹鋼管在日本燃煤電廠作為過熱器管和再熱器管廣泛應用。從1988年開始就在日本電站鍋爐進行實地運行試驗，對經十年實地時效運行的管子的檢驗結果證實：該鋼可用作為過熱器和再熱器材料。下面是SUPER304H不銹鋼管經鍋爐中實地運行后的試驗結果。

  1. 鋼管及實地運行試驗條件

  將用SUPER304H不銹鋼管制作的過熱器和再熱器管子置于日本的一家電站鍋爐進行實地運行。過熱器和再熱器管子的尺寸分別為Φ38.1×6.0mm和Φ54.0×5.0mm；也生產了細晶粒的試管。將試管按如圖所示置入三級過熱器和二級再熱器。為便于比較，此鋼的彎頭和接頭以及TP321H和細晶粒的TP347H也同時置入。鍋爐的運行條件如表所示。經過1年、2.5年、6.5年和10年的運行時效后，從鍋爐中取出試管。凈時效時間分別為7898小時、19586小時、50811小時和79208小時。

  2. 表面及尺寸

  圖給出了取出的SUPER304H試管的尺寸測量結果。新管與取出的試管的外徑和壁厚相比，少有變化。取出的試管外表面平整，未發現明顯的高溫腐蝕。

  3. 力學性能

   圖給出了取出的SUPER304H試管在室溫和600℃測得的拉伸試驗結果。室溫下，在時效時間達到2.5年之前，其抗拉強度和屈服強度都隨時間延長而上升，但在6.5年及之后，強度值卻不發生什么變化；而在600℃時抗拉強度變化很少。SUPER304H試管在室溫和600℃時的強度水平均高于TP321H和細晶粒的TP347H。取出的SUPER304H試管，在0℃進行夏比沖擊試驗得到的沖擊結果示于圖。沖擊值經1年的時效后下降較多，但以后即使時效時間達10年，沖擊值并不繼續下降，仍達到60J/cm2。

 4. 蠕變斷裂性能

  圖給出了取出的SUPER304H試管的蠕變斷裂性能。經最長達十年的服役時效后的持久強度仍在原始材料持久強度的分散帶內。

 5. 金相組織

  圖給出了取出的SUPER304H試管的光學顯微組織。很少見到塊狀的σ相，這表明其組織是相當穩定的。

 6. 蒸汽抗氧化性能

  蒸汽氧化皮厚度與在鍋爐中運行服役時間的關系，說明細晶粒的SUPER304H不銹鋼管的蒸汽抗氧化性幾乎與細晶粒的TP347H相同，而優于TP321H鋼，如圖的比較。

六、結論以及今后研究方向

  綜合各方面性能來看，無論從該鋼的國內外各種試驗結果以及在日本電站鍋爐的過熱器和再熱器上的應用時間已達十多年的情況，都顯示出該鋼具有良好的綜合特性，各方面均優于常規的18-8奧氏體不銹鋼，特別是該鋼的許用應力較ASME SA-213TP347H高約20%，其在700℃的許用應力仍達到47MPa。試驗和應用的結果以及機電部發電設備中心的評定結論均證實：該鋼管可用作超（超）臨界鍋爐的過熱器和再熱器材料。當然，由于該鋼目前主要應用均在日本，雖然其已經得到ASME CODE CASE 2328確認，但尚未正式納標。國內目前已經做的只是進行了鋼管的初步評定試驗，但還有在實際生產中的工藝性能仍應進一步了解并予以掌握，為其在我國今后的正式應用提供技術數據儲備。故目前國內即將應用的同時，還要做一定的應用試驗研究工作。