中美鍋爐鋼板標準的對比及發展
0 前言臨界火電技術的最現實的途徑,但是只有充分了解掌握近年來火電機組向大型化、高參數化發展的趨勢握國際上那些技術成熟的新凱時娛樂城材料,并將其納入我國電日益明顯,超臨界參數的火電機組已經在我國大量設站鍋爐用鋼標準,建立適合我國火電機組發展的先進計建造。作為火電機組三大主機之一的鍋爐,對其所的鍋爐用鋼體系,促進新型鍋爐用鋼國產化,才是發使用鋼的耐高溫高壓、耐腐蝕、性能穩定等方面提出展我國超臨界火電機組的關鍵。了更高的要求。新型鍋爐用鋼的研制、開發與應用, 鍋爐鋼板是鍋爐制造中非常關鍵的材料之一,主一直是火電機組發展所面臨的重大課題,各國均投入要是指用來制造鍋爐中的鍋殼、鍋筒、集箱端蓋、支吊了大量的人力、物力從事相關的研究工作。架等重要部件用的熱軋專用碳素鋼和低合金耐熱鋼
我國火電機組鍋爐用鋼的開發,近幾十年來幾乎中厚鋼板材料。鍋爐鋼板常常處于中、高溫和高壓狀處于完全停滯狀態。目前超臨界火電機組,甚至包括態下工作,除承受較高溫度和壓力外,還受到沖擊,疲部分亞臨界機組鍋爐中的許多關鍵材料完全依賴進勞載荷及水和氣的腐蝕,工作條件較差。如果鍋爐在口。新材料的開發和應用是鍋爐制造取得技術進步使用過程中發生破壞性事故,將會造成嚴重的損失。的基礎,新材料是由材料標準和技術條件作為載體而因此鍋爐鋼板必須具有良好的物理性能、力學性能和實施的。雖然從國外購買先進材料是現階段發展超可加工性,并在材料標準的技術條款中給予嚴格的規定,以滿足其使用中的安全。
美國機械工程師協會(ASME) 負責制訂、頒布和實施的鍋爐壓力容器技術規范,它不僅是統一的美國國家標準, 同時也是國際公認的標準法規系統。ASME 規范第II 卷材料篇,主要引用了美國材料試驗學會(ASTM) 的相應材料標準和材料試驗標準。在ASME 規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,并與我國鍋爐鋼板標準進行對比與分析,找出之間的差距,才能建立適合我國超臨界火電機組發展的完善的鍋爐用鋼板標準和標準體系。
1 常用鍋爐鋼板及性能要求
從材料上來分,鍋爐鋼板可分為專用碳素鋼板和低合金耐熱鋼板兩類。鍋爐鋼板所用的材料對化學成分,特別是對磷、硫等有害元素和鉻、鎳、銅等殘余元素有嚴格的控制;冶煉時還應進行良好的脫氧和去除非金屬夾雜物,以保證良好的塑性和韌性;組織結構要求均勻,晶粒度控制在一定范圍內(通常希望晶粒度在3～7 級之間);對表面質量和內部缺陷也有嚴格的要求;此外常溫和高溫力學性能必須保證。
根據工作條件不同,鍋爐鋼板又可分為制造室溫及中溫承壓部件鋼板和制造高溫承壓部件鋼板兩大類。
室溫及中溫(蠕變溫度以下) 用鍋爐鋼板,大多采用碳素鋼,包括碳鋼、碳錳鋼、碳錳硅鋼等,即GB713
-1997 鍋爐用鋼板中的20g 、22Mng 、16Mng 、19Mng 鋼,以及美國ASME SA -515ΠSA -515M 中高溫壓力容器用碳鋼板、SA-299ΠSA -299M 壓力容器用碳錳硅鋼板等。主要用于制造鍋爐的鍋筒、中溫以下集箱端蓋等承壓部件。要求其應具有較高的室溫強度;良好的沖擊韌性和較低的缺口敏感性;由于鍋筒等部件在加工時需要大量的冷變形,因此還要具有良好的時效韌性;另外還要具備良好的加工工藝性和焊接性能;以及良好的低倍組織等。
高溫(蠕變溫度以上) 用鍋爐鋼板,一般采用低合金耐熱鋼,常用有鉻鉬鋼、鉻鉬釩鋼、鉻鉬鎢鋼等。例如GB713 -1997 鍋爐用鋼板中的15CrMog 、12Cr1MoVg , 以及美國ASME SA -387ΠSA387 -M 壓力容器用鉻-鉬合金鋼板中的Gr22 、Gr91 和ASME SA -1017ΠSA1017 -M 壓力容器用鉻-鉬-鎢合金鋼板中的Gr23 、Gr911 、Gr122 鋼等。主要是用以制造高溫集箱封頭端蓋、蒸汽管道堵板等高溫承壓部件。要求
其必須具有足夠的高溫持久強度和持久塑性;良好的高溫組織穩定性;良好的高溫抗氧化性(耐熱性);以及良好的冷熱加工工藝性(主要指冷彎變形和可焊接性) 等。
2 鍋爐鋼板標準對比分析
對鍋爐制造行業來說,ASME 無疑是世界上最權威、最先進、最完善的建造規范。我國的鍋爐行業在引進超臨界火電機組鍋爐的制造技術時,幾乎無一例外的采用了美國機械工程師協會(ASME) 制訂、頒布和實施的鍋爐壓力容器技術規范。
現階段我國的鍋爐鋼板標準體系分為通用標準和產品標準兩層,通用標準包括GBΠT247 鋼板和鋼帶檢驗、包裝、標志及質量證明書的一般規定和GBΠ T14977 熱軋鋼板表面質量的一般要求兩個標準,產品標準僅GB713 鍋爐用鋼板1 個標準。另外我國還有一個壓力容器鋼板標準GB6654 壓力容器用鋼板, 但因為其與大型火電機組鍋爐用鋼板的要求相距甚遠,因此不適合高壓以上大型火電機組鍋爐上使用。
美國ASME 規范第II 卷材料A 篇(鐵基材料) 中, 有關鍋爐和壓力容器用鋼板標準共約44 個,雖然在標準名稱上都稱作“壓力容器用鋼板”,但在每一個標準中的第一部分“適用范圍”中,對本標準適用于鍋爐還是壓力容器,都做了明確的規定。所以適用于鍋爐用鋼板的標準大約有9 個,按體系也可以分為兩層, 即通用標準1 個SA-20ΠSA-20M 壓力容器用鋼板通用要求和產品標準8 個SA-202ΠSA -202M 壓力容器用鉻錳硅合金鋼板、SA-204ΠSA -204M 壓力容器用鉬合金鋼板、SA-299ΠSA -299M 壓力容器用碳錳硅鋼板、SA-302ΠSA -302M 壓力容器用錳鉬和錳鉬鎳合金鋼板、SA-387ΠSA -387M 壓力容器用鉻鉬合金鋼板、SA-515ΠSA -515M 中高溫壓力容器用碳鋼板、SA-516ΠSA -516M 常低溫壓力容器用碳鋼板、SA -1017ΠSA -1017M 壓力容器用鉻鉬鎢合金鋼板。另外所有ASME 材料的物理性能、使用溫度和許用應力等數據,都集中放在ASME 規范第II 卷D 篇材料性能當中,使用和查找十分便利。
通過對比ASME 鍋爐鋼板標準及體系可以看出, 我國鍋爐鋼板產品標準GB713 鍋爐用鋼板中,將不同品種和不同使用要求的鍋爐鋼板,以及鍋爐鋼板的一般性能和高溫特殊性能等都放在一起表述,篇幅煩瑣,對鍋爐鋼板的性能要求體現不夠。ASME 鍋爐鋼板標準的制訂是按材料加以區分的,每一類材料制訂一個標準。標準內容除了規定了這一類材料的基本性能外,對具體用途和注意事項,以及協議條款等,在標準中都有非常詳細的規定,充分體現了對鍋爐鋼板的性能要求,技術性突出,貿易性明顯。標準體系和內容非常清晰,讓人一目了然。用戶在選擇和使用上也很方便。
因此,現階段我國的鍋爐鋼板標準及體系應加大力度重新予以制修訂,以適應先進的超臨界鍋爐技術的發展對鍋爐鋼板的要求。
3 鍋爐鋼板標準發展探討
上世紀80～90 年代,我國電力制造行業成功地引進了亞臨界參數鍋爐技術。為適應亞臨界壓力以下鍋爐對鍋爐鋼板的要求,由鞍山鋼鐵集團公司、冶金工業信息標準研究院等單位,對GB713 -86 鍋爐用碳素鋼和低合金鋼鋼板進行了重新修訂。新修訂并一直沿用至今的鍋爐鋼板標準為GB713 -1997 鍋爐用鋼板。在這個版本中,除了20g 和16Mng , 新增加了用于制造鍋筒的19Mng (等同于德國標準19Mn6) 、22Mng (等同于美國標準SA299) 、13MnNiCrMoNbg (等同于德國標準BHW355) 等三個牌號,以及用于高溫集箱端蓋及支吊架等部件的15CrMog 、12Cr1MoVg 兩個耐熱鋼牌號,其他內容也做了一定的修改。新修訂的GB713 -1997 鍋爐用鋼板,不僅基本上滿足了亞臨界壓力以下鍋爐鍋筒、集箱端蓋及其支吊件的要求, 為我國電力事業的發展做出了突出貢獻,而且還帶動了我國鋼鐵行業的技術進步和產品質量的提高。
進入本世紀以來,隨著世界上超臨界參數火電機組的發展,我國也開始引進并大量設計制造超臨界參數火電機組。超臨界火電機組鍋爐大多采用直流循環,螺旋爐膛,用汽水分離器替代了鍋筒汽包,鍋爐中集箱的溫度和壓力更高,更多的使用一些新型的、性能優異的耐熱合金鋼。由于對鍋爐鋼板的性能提出了新的要求,因此一直沿用的GB713 -1997 鍋爐用鋼板標準,其中的一些內容和技術指標,無論是與國外先進水平標準相比,還是與鍋爐行業發展的相關要求相比,均存在著一定的差距,主要體現在下述幾個方面:
3. 1 標準水平
鍋爐鋼板產品標準GB713 -1997 鍋爐用鋼板,采用國際先進標準力度遠遠不夠,標準水平只達到了國際一般水平。由于鍋爐鋼板標準屬于重要用途的產品標準,安全可靠性要求嚴格,制造技術難度高,而且產量比較大。隨著我國鋼鐵行業的生產技術和產品質量的不斷提高,鍋爐鋼板標準應繼續采用國際先進標準,加強采標力度,不斷提高標準水平。
由于我國鍋爐鋼板產品標準只有一個,因此可以按照ASME 規范第II 卷D 篇材料性能的模式,制訂一份有關我國鍋爐鋼板材料力學性能和物理性能的通用標準,也可以將這些材料性能完全放在產品標準GB713 中,包括鍋爐設計選材時必須用到的高溫規定非比例延伸強度(Rp0. 2) 、高溫持久強度等力學性能, 以及常用的熱膨脹系數、彈性模量等物理性能。另外如有可能,還可參照ASME 的方法,按不同材料、用途和性能,將鍋爐用鋼板標準細分成若干個標準(如專用碳素鋼板、低合金耐熱鋼板等),以適應用戶的需要和應用。
3. 2 外形尺寸
由于我國鋼鐵行業技術和裝備水平的制約,鍋爐用的寬厚鋼板還幾乎無法生產。GB713 僅適用于厚度6～150mm 的范圍,而亞臨界鍋爐鍋筒用的鋼板厚度一般都在160～210mm 之間,只能依靠進口解決。我們只有提高那些重要用途、技術含量高的產品標準的水平,才有利于帶動整個鋼鐵工業技術進步和產品質量提高,才能最終實現國產化,擺脫進口的束縛。
近年來,鋼鐵行業在國家良好的經濟發展形式下,正大幅度的提高整體技術和裝備水平。“十五”規劃建設的寶鋼5 000mm 寬厚板軋機工程項目,建成投產后其生產的鍋爐鋼板厚度可達到5～400mm 。作為我國第一套現代化的特寬幅寬厚板軋機,它的建設將帶動我國寬厚板生產技術的跳躍式發展,對提升我國寬厚板產品檔次,增強我國的綜合國力,將發揮積極作用。我們應抓住國內鋼鐵技術和鍋爐制造技術取得突破性進步這個機會,將新技術和新要求納入鍋爐鋼板標準,并向國際先進水平標準靠攏,提高我國鍋爐鋼板標準的技術水平。
3. 3 材料牌號
材料標準和技術條件是材料應用的載體。隨著火電機組參數的提高,鍋爐制造水平不斷進步,ASME 會隨著每三年一次修訂和每年的增補, 根據建造ASME 規范產品的需要和冶金技術的發展,適當地在原有鋼種基礎上新納入和增加代表當今世界最新材料技術水平的新型材料。例如,為適應超臨界鍋爐集箱封頭端蓋和支吊架等部件對耐熱鋼板的要求,最新的2004 版ASME 規范第II 卷材料A 篇中,新制訂了SA -1017ΠSA -1017M 壓力容器用鉻-鉬-鎢合金鋼板標準。我國鍋爐用鋼板標準在新型材料的納標上爐鋼板材料幾乎沒有納入。顯得滯后,往往跟不上鍋爐制造技術的發展,現行的GB713 -1997 鍋爐用鋼板與ASME 鍋爐鋼板標GB713 -1997 鍋爐用鋼板已經使用了8 年之久,材料準中材料牌號之間的對比,見表1 所示。品種偏少,供用戶選擇的余地小,特別是高溫用的鍋
表1 GB713 與ASME 鍋爐鋼板材料牌號對比
品種 材料 GB713 標準 材料 ASME 標準
碳錳鋼 -16Mng GB713 -1997 鍋爐用鋼板 SA516 -55 SA516 -60 SA -516ΠSA -516M 常低溫壓力容器用碳鋼板
- SA516 -65
19Mng SA516 -70
20g - SA515 -60 SA515 -65 SA -515ΠSA -515M 中高溫壓力容器用碳鋼板
22Mng SA515 -70
錳鉻錳鉬鋼 22Mng ---13MnNiMoNbg SA -299 SA -202 GrA 、GrB SA -204 GrA 、GrB 、GrC SA -302 GrA 、GrB 、GrC 、GrD SA -299ΠSA -299M 壓力容器用碳錳硅鋼板SA -202ΠSA -202M 壓力容器用鉻錳硅合金鋼板SA -204ΠSA -204M 壓力容器用鉬合金鋼板SA -302ΠSA -302M 壓力容器用錳鉬和錳鉬鎳合金鋼板等同于德國標準BHW355
鉻鉬鋼 -15CrMog SA -387Gr2 SA -387Gr12 SA -387ΠSA -387M 壓力容器用鉻鉬合金鋼板
SA -387Gr11
- SA -387Gr22 、22L
- SA -387Gr21 、21L
- SA -387Gr5
- SA -387Gr9
- SA -387Gr91
- SA -387Gr911
12Cr1MoVg -
-- SA -1017Gr23 SA -1017Gr911 SA -1017ΠSA -1017M 壓力容器用鉻鉬鎢合金鋼板
- SA -1017Gr122
通過表1 對比可以看出,用于室溫及中溫(蠕變溫度以下) 的碳錳系列鍋爐鋼板, GB713 共收納了5 個牌號,可以滿足亞臨界以下火電機組鍋爐中汽包鍋筒、水冷壁集箱端蓋、以及低溫過熱器和省煤器集箱端蓋、支吊架等零部件的需要。對于ASME 中的錳鉻、錳鉬等系列標準中的鋼板牌號,我國火電機組鍋爐基本不使用,因此不需要納入我國鍋爐鋼板標準。用于高溫( 蠕變溫度以上) 的鉻鉬系列鍋爐鋼板, GB713 -1997 中牌號只有2 個。其中15CrMog 最高使用溫度為550 ℃,12Cr1MoVg 最高使用溫度為565 ℃。而超臨界火電機組鍋爐中的高溫過熱器和再熱器集箱等部件的金屬壁溫已經達到600 ℃以上,15CrMog 和12Cr1MoVg 已經達不到要求,因此應將ASME 標準中那些可以使用在600 ℃及以上的材料SA -387Gr22Π 22L 、SA -387Gr91 、SA -387Gr911 、SA -1017Gr122 等, 納入我國的鍋爐用鋼板標準,以適應超臨界火電機組鍋爐技術的發展,提升我國冶金和機電產品的整體水平。
3. 4 技術要求GB713 -1997 規定的技術要求,與ASME 鍋爐鋼板標準中規定的技術要求對比,見表2 。
從表2 中可以看出,ASME 鍋爐鋼板標準中的技術要求,除了化學成分和基本的力學性能必須保證外,其余大多是供不同的用戶在不同的使用中,對鋼板的技術要求做出不同選擇的協議項目。ASME 充分體現了以市場為導向,以用戶需求為目標的世界先進標準的指導思想。而我國的鍋爐用鋼板標準顯得微量元素、冶煉、鍛造、熱處理、金相組織等各種因素計劃經濟體制痕跡較重,起草和制修訂標準時,對標的變化而變化的,它是一個幫助分析、判斷材料的工準所使用的行業特點沒有清楚的反映出來,對用戶真藝和質量水平的有效方法。另外,當鍋爐運行一段時正需要的技術要求和保證條款調查和重視不夠,沒有間后,通過材料的冷脆轉變溫度的變化情況,還可以達到生產型標準向貿易型標準轉變的功效。幫助預測鍋爐的運行壽命。因此在GB713 當中,應
根據表2 的對比分析發現,ASME 鋼板標準都將將落錘試驗或系列沖擊試驗,以及鉻鉬鋼的硬度試驗落錘試驗作為鋼板技術要求中的協議項目,這是因為等作為協議條款給出,方便用戶在不同的使用條件下鍋爐鋼板冷脆轉變溫度的高低是隨材料的化學成分、進行選擇。
表2 GB713 與ASME 鍋爐鋼板技術要求對比
技術指標 GB713 SA202 SA204 SA299 SA302 SA387 SA515 SA516 SA1017
化學成分 √ √ √ √ √ √ √ √ √
交貨狀態 Δ Δ √〔注2〕 √〔注3〕 √〔注3〕 √ √〔注3〕 √〔注2〕 √
常溫拉伸 √ √ √ √ √ √ √ √ √
常溫沖擊 √ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ
時效沖擊 √〔注1〕 Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ
冷彎試驗 √ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ
表面質量 √ √ √ √ √ √ √ √ √
無損探傷 Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ
厚度方向拉伸 Δ N N N N N N N N
高溫拉伸 Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ
落錘試驗 N Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ
磁粉檢驗 N Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ
奧氏體晶粒度 N N N N N √〔注4〕 Δ N N
硬度 N N N N N N N N √
〔注1〕:僅對20g 和16Mng 有要求。〔注2〕:厚度大于40mm 的鋼板必須正火處理。〔注3〕:厚度大于50mm 的鋼板必須正火處理。
〔注4〕:僅對Gr2 鋼板有要求。√:規定或必檢項目;Δ:協議項目;N: 沒有規定
4 結束語
材料是火電機組鍋爐建造的基礎和技術核心之一。美國ASME 規范把材料及其標準列為第二卷,作為整個規范的一個重要組成部分。ASME 鋼材標準不僅是鋼材生產部門的質量標準,而且是鋼材使用單位(設計、制造、檢驗) 在選用、采購、驗收、檢驗、加工時的依據。ASME 鋼材標準是在市場經濟模式下,由供需雙方共同編制,且以反映鋼材使用者的要求為主的標準。ASME 鍋爐鋼板標準看似十分繁多,但仔細分析卻又體系明確、聯系緊密、互相呼應、配套性強, 是鍋爐建造中不可缺少的一部分。
相對比較而言,我國鍋爐鋼板僅有GB713 一個標準,其中的材料品種、牌號、等級等,都遠遠少于ASME 規范,使用上受到很大局限性。另外,我國過去是在計劃經濟體制下,主要以供方為主編制鋼材質量標準,沒有更全面地反映鋼材使用者的要求和反映鍋爐建造的要求,因此鍋爐鋼板標準在許多方面還不能滿足用戶需求。
中國鍋爐制造行業和冶金行業需要共同努力,深入分析、理解ASME 規范等世界先進標準,找出我國鍋爐鋼板標準的不足,明確發展方向。今后應繼續加大采用國際標準和國外先進標準的力度,積極促進ASME 規范中國化和ASME 鋼材國產化,制修訂出適合我國火電機組鍋爐技術發展的先進的鍋爐鋼板標準,提升我國鍋爐制造行業和冶金行業的整體水平, 更好的為經濟建設服務。
