315-paper－T23高压锅炉管的研制(中文）.doc

ASME SA－213 T23高压锅炉管的研制 王起江1、邹凤鸣2、张 科3 （1.宝山钢铁股份有限公司技术中心钢管研究所，上海201900） （2.宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司钢管厂，上海201900） （3.机械工业发电设备服务中心，北京100823） 摘要本文介绍了宝钢对ASME SA213 T23高压锅炉管的高温拉伸、持久强度、抗氧化性等试验研究情况，试验表明，宝钢生产的T23高压锅炉管性能稳定，各项技术指标和性能均符合ASME SA－213标准要求，适合于制造大容量电站锅炉。 关键词T23高压锅炉管；性能；标准；电站锅炉 R ＆ D of ASME SA－213 T23 high pressure boiler tube Wang Qijiang1 Zou Fengming2 Zhang Ke3 （1.Baosteel Technology Cent, R Property; Standard; Power station boiler 1 前言 ASME SA213 T23（以下简称T23）钢是以T22（2.25Cr－1Mo）钢为基础，采用了低C，Mo、W复合固溶强化和Nb、V、B微量元素析出强化的优点，使该钢550625℃的温度范围，许用应力是ASME SA213－T22钢的2倍，580℃持久强度是12Cr1MoV钢的1.4倍，持久强度与我国12Cr2MoWVTiB（R102）钢相等，且具有高的冲击韧性和良好的焊接性能，焊接时不须预热，焊后不必进行热处理，可代替10CrMo910、T22、12Cr1MoV和12Cr2MoWVTiB钢，制造大型电站锅炉的过热器和再热器[1]。 随着我国电站锅炉向大容量、高参数的迅猛发展，锅炉行业在制造大容量、高参数亚临界和超临界锅炉所需要的T23钢管必将会越来越多，但是，在本项目研究前，国内还不能生产T23产品，所需T23产品全部依赖进口，为此，锅炉行业迫切希望宝钢能研制和大批量生产T23产品，以替代进口产品。 基于提高我国大型火力发电设备制造能力和满足锅炉行业制造亚临界、超临界电站锅炉的迫切要求，宝钢于2001年4月初开始研制T23产品，并先后经历了钢种试制、产品试轧、性能评定、批量生产等阶段，现已形成了大批量生产和供货能力。本文重点讨论宝钢T23研制的工艺过程、产品性能及在国内各锅炉厂应用的实绩。 2 T23研制工艺 2.1 化学成分 ASME规范 SA-213 T23[2]规定T23钢的化学成分列于表1。化学成分决定钢的力学性能，标准只是给出了一个大概的成分范围，要想取得最佳的性能配合，就需要对成分进行优化和控制。由于T23要获得良好的焊接性能及高温持久强度和塑性，因此，在实际生产过程中要对C、P、S、Al、等元素实施严格的控制，如P、S的控制要分别小于0.015和0.005。 王起江（1955－） 男 教授级高级工程师 现从事热轧无缝钢管工艺技术及超（超）临界电站锅炉用高压锅炉管新产品的研制。 电话26647289 7 表1 T23化学成分 Table 1 Chemical composition 标准 C Mn P S S i Cr Mo V W Nb B N Al ASME SA-213 0.040.10 0.100.60 ≤0.030 ≤0.010 ≤0.50 1.902.60 0.05 0.30 0.200.30 1.451.75 0.02 0.08 0.00050.006 ≤0.030 ≤ 0.030 2.2 T23钢管生产工艺过程 T23主要生产工艺过程是转炉炼钢→炉外精炼→模铸→初轧→制管→钢管热处理→钢管矫直→无损检验→验收→包装入库。在这一生产工艺过程中，冶炼及制管工艺是十分重要的。另外，为了获得良好的工艺性能，制定正确的热处理规范也是非常重要的。在这些领域里，宝钢已形成了具有自己特点的专有技术。 2.3 T23热处理工艺制度的研究 ASTM A 213 和 ASME code case 规范规定T23热处理制度是正火回火，正火温度≥1040℃、回火温度≥730℃。ASME SA213标准规定常规性能是屈服强度≥400MPa、抗拉强度≥510MPa、伸长率≥20、硬度≤220HB。但经过对T23钢进行多次不同正火温度和不同回火温度的试验研究和比较，我们对T23钢管选择了大于1050℃保温20分钟以上正火及大于760℃保温60分钟以上回火的热处理制度，热处理后T23常温组织是回火贝氏体，见图1所示。 图1、T23钢管微观组织 figure 1、Optical microstructure of T23 steel tubes 3 T23性能试验与研究 3.1 高温拉伸性能试验 对试验用管按GB/T 4338-1995“金属材料 高温拉伸试验方法”在钢管上取弧形比例试样，进行高温拉伸试验，并与美国ASME 数据库中T23高温拉伸抗拉、屈服强度允许值比较，如图2所示。试验结果表明宝钢T23钢管的高温拉伸性能完全符合相关标准要求。 aT23高温拉伸抗拉强度 bT23高温拉伸屈服强度 a Elevated temperature tensile strength of T23 tube b Elevated temperature proof stress of T23 tube 图2、T23钢管高温拉伸性能 figure 2、 Elevated temperature tensile property of T23 tube 3.2 持久强度试验 按GB/T2039-1997“金属高温拉伸蠕变及持久试验方法”，在RD2-3高温蠕变持久试验机上分别进行550℃、600℃、650℃下的持久强度试验。试验结果见图3。 图3、T23钢管持久强度曲线 figure 3、Creep rupture strength for T23 tube 用最小二乘法进行拟合计算，分别得到550℃、600℃、650℃下的持久强度外推方程式如下 550℃持久强度外推方程式 lgσ＝2.6259-0.1071lgt 用上述方程式外推得 123MPa 600℃持久强度外推方程式 lgσ＝2.5270-0.1235lgt 用上述方程式外推得 81.2MPa 650℃持久强度外推方程式 lgσ＝2.5837-0.2120lgt 用上述方程式外推得 33.4MPa 以上三个温度持久强度外推值均超过了ASME规范CODE CASE 2199-1规定的允许值＞106MPa，＞65MPa，＞31MPa的规定范围。 3.3 T23与R102高温抗氧化性对比试验 对T23与R102钢管按GB/T13303-1991“钢的抗氧化性能测定方法”进行对比抗氧化性能试验，试样为1530mm矩形体，在600℃进行抗氧化性试验，氧化速度采用增重法进行测定。试验时，实测保温温度为6003℃，并分别在100、200、500、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、5000、6000、7000、8000小时时对试样进行对比测重。测量结果如图4所示。从中可以看出宝钢T23钢管的氧化速度平均值为 K 0.03410g/m2h；0.03786mm/年， G102的氧化速度平均值为K 0.03974 g/m2h；0.04440mm/年，按照GB/T13303-91（1级“完全抗氧化性”＜0.1g/m2h＝，这两种钢种都可评定为完全抗氧化，但宝钢T23抗氧化性略好于R102。 图4、T23与R102钢管600℃抗氧化增重曲线 figure 4、 Curve of anti-oxidation weight-addition at 600℃ for T23 and R102 tube 3.4 时效试验 对钢管进行600℃3℃高温时效处理。在经历500、1000、3000、5000、8000、10000小时的保温时间后分别取出，加工成相应的力学性能试样，进行时效后的机械性能测试。试验结果如图5所示。从试验结果中可以看出，该钢在500-10000小时之间时效后，它的冲击韧性变化不显著，在10000小时仍能保持高于200焦耳的高韧性。强度、硬度随着时效时间的延长略有降低，但是下降幅度较小。延伸率随着时效时间的延长略有变化，但是变化幅度不大。600℃ 10000小时的试验表明，虽然该钢在600℃长时间时效后的力学性能有所改变，但是，600℃10000小时时效后的力学性能仍高于ASME SA-213 Code Case 2199所规定的室温力学性能允许值，说明该钢性能稳定，适于制造锅炉管。 a 时效后硬度和冲击性能变化曲线 b 时效后强度变化曲线 a Variable curves of hardness and impact Properties after aging b Variable curves of strength after aging 图5、时效后性能变化曲线 Figure 5、 Variable of properties after aging 3.5 系列冲击试验 系列冲击试样取自生产过程中的成品管，规格为φ60.312.5mm，加工成试样为标准夏比V型缺口冲击试样1010mm，按GB/T229-1994“金属夏比缺口冲击试验方法”进行试验，试验结果见图6所示，脆性转变温度FATT50为-40℃－-45℃。 图6、系列温度冲击试验曲线 figure 6、 Impact experiment curves at a series of temperature 3.6 T23工艺性能试验 对φ60.312.5mmT23样管进行了工艺性能压扁和扩口试验，试验按ASME SA-450标准规定进行，试验表明宝钢T23工艺性能良好，见图7所示，满足锅炉用钢的要求。 图7、T23压扁、扩口试样 figure 7、Appearance of flattening and flare test specimens 4. 国内各锅炉厂应用实绩 宝钢T23高压锅炉管自研制成功以来就得到了国内各大锅炉厂的青睐，图8是国内各锅炉厂在2004、2005年应用宝钢T23实绩。由于宝钢T23高压锅炉管研制成功，极大地提高了我国锅炉行业制造亚临界和超临界电站锅炉的制造和竞争能力，同时，也缩短了我国耐热钢研究领域的水平与国外的差距。 图8、各锅炉厂应用宝钢T23实绩 figure 8、Outstanding achievement of application Baosteel’s T23 in Boiler Works 5 结语 （1）试验表明宝钢T23高压锅炉管各项技术指标和性能均能符合ASME SA－213标准要求，适合于制造大容量电站锅炉，说明研制和开发宝钢T23产品所选择的工艺设计是正确的。 （2）宝钢T23脆性转变温度FATT50在-40℃- -45℃，钢管在600℃完全抗氧化. （3）钢管550℃、600℃、650℃10万小时持久强度外推值分别是123Mpa、81.2Mpa、33.4Mpa，均超过ASME规范CODE CASE 2199-1规定值范围。 （4）宝钢T23高压锅炉管研制成功，缩短了我国耐热钢研究领域的水平与国外的差距，同时也极大地提高了我国电站锅炉的制造能力和水平。 参考文献 1、 王崇斌，周丽萍等 .锅炉用ASME SA213－T23高强度钢管性能. 锅炉技术，1998年4月27～32 2、 ASME SA-213/SA-213M-02a SPECIFICATION FOR SEAMLESS FERRITIC AND AUSTENITIC ALLOY-STEEL BOILER, SUPERHEATER, AND HEAT-EXCHANGER TUBES 340～351