USC鍋爐應(yīng)用國(guó)產(chǎn)S30432管材性能分析研究

梁 軍 王 斌，2

（1.神華國(guó)華電力研究院技術(shù)中心，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100025；2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津市南開(kāi)區(qū)，300072）

我國(guó)已建或在建的超超臨界機(jī)組所用SUPER304H （S30432）類(lèi)鋼材主要依賴(lài)進(jìn)口，目前僅有日本住友公司與德國(guó)曼內(nèi)斯曼 （DMV）公司可以生產(chǎn)，數(shù)量少、采購(gòu)周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴。經(jīng)過(guò)多年技術(shù)攻關(guān)和消化吸收，國(guó)內(nèi)廠家具備了生產(chǎn)該鋼種的能力，已生產(chǎn)出部分產(chǎn)品應(yīng)用到如大唐信陽(yáng)660 MW、國(guó)華綏中1000 MW 等超超臨界機(jī)組，未來(lái)勢(shì)必會(huì)有更多工程選用國(guó)產(chǎn)S30432材料。

由于國(guó)內(nèi)對(duì)此類(lèi)鋼種的國(guó)產(chǎn)化研究尚處于起步階段，實(shí)施國(guó)產(chǎn)S30432管材的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究尤為迫切。本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)S30432 材料各項(xiàng)性能，積累大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為S30432材料的運(yùn)行監(jiān)督提供技術(shù)支持，為制定相應(yīng)管理辦法提供科學(xué)依據(jù)。

1 SUPER304H （S30432）材料概況

SUPER304H 鋼是20世紀(jì)80年代日本大力發(fā)展蒸汽參數(shù)為600℃左右的超超臨界機(jī)組時(shí)的產(chǎn)物。由于當(dāng)時(shí)TP304H 在超超臨界鍋爐中的持久強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足要求，因而在20世紀(jì)80年代末、90年代初，由日本住友金屬株式會(huì)社和三菱重工在ASME SA-213M TP304H 的基礎(chǔ)上，通過(guò)降低Mn含量上限、加入約3%的Cu、約0.45%的Nb和一定量的N，而開(kāi)發(fā)得到具有很高許用應(yīng)力的一種新型18-8型奧氏體不銹鋼，且有較好的抗腐蝕性和抗氧化性。

該鋼已納入日本標(biāo)準(zhǔn)，也由ASME Code Cases 2328-1予以確認(rèn)，并列入了ASTM A-213M標(biāo)準(zhǔn)，名稱(chēng)為S30432；歐洲的曼內(nèi)斯曼DMV 鋼管公司則命名該鋼為DMV304HCu。在中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB5310 - 2008 中， 該 鋼 對(duì) 應(yīng) 牌 號(hào) 為10Cr18Ni9NbCu3BN。

2 管材性能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)材料選取國(guó)產(chǎn)S30432 鋼管 （規(guī)格：?45 mm×9.2mm）和進(jìn)口SUPER304H 鋼管 （規(guī)格：?44.45mm×8.35mm）。通過(guò)材質(zhì)成分、室溫及高溫短時(shí)拉伸、沖擊性能、加工性能、晶間腐蝕性能、應(yīng)力腐蝕性能、金相組織檢驗(yàn)、時(shí)效試驗(yàn)、高溫持久性能等試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)國(guó)產(chǎn)S30432管材性能。

2.1 化學(xué)成分檢驗(yàn)

依據(jù)GB／T 223 《鋼鐵及合金化學(xué)分析》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)兩種鋼管進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，國(guó)產(chǎn)管材的化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SUPER304H （S30432）類(lèi)鋼成分的技術(shù)要求，與進(jìn)口管材相比，有害元素P、S、Al含量更低，說(shuō)明冶金質(zhì)量較好，有害元素較少。C、Mn、Si、Cu、Nb的含量略低于進(jìn)口管。B 含量較低，僅為進(jìn)口管材的33.3%，B 含量偏低可能會(huì)影響管材的持久強(qiáng)度。

表1 樣管化學(xué)成分及相關(guān)質(zhì)量數(shù) %

2.2 組織分析

在100×視場(chǎng)下對(duì)國(guó)產(chǎn)管取樣進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)級(jí)，國(guó)產(chǎn)管的夾雜物等級(jí)為D 類(lèi)1.5 級(jí)，滿(mǎn)足GB 5310對(duì)10Cr18Ni9NbCu3BN 鋼的要求 （不大于2.5級(jí)）。

據(jù)DL／T 884-2004 《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)國(guó)產(chǎn)管樣取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。采用點(diǎn)掃描模式進(jìn)行半定量分析，夾雜物成分主要為純Nb顆?；騉、Mg、Al、Mn等組成的塑性?shī)A雜。

粗大的Nb相（或未以MX相彌分布的中間Nb合金相）的存在和冶煉質(zhì)量有關(guān)。由于含Nb的MX相熔點(diǎn)較高，要達(dá)到較好的彌散析出效果對(duì)冶煉質(zhì)量要求較高。若存在一定量的粗大純Nb相或含中間Nb合金相，未發(fā)揮Nb的彌散強(qiáng)化作用，則在高溫服役條件下材質(zhì)的蠕變性能受到影響。

圖1 國(guó)產(chǎn)管及進(jìn)口管的金相組織

對(duì)國(guó)產(chǎn)管的內(nèi)壁、中層和外壁進(jìn)行組織觀察，其金相組織為細(xì)晶奧氏體+孿晶。國(guó)產(chǎn)管及進(jìn)口管的金相組織見(jiàn)圖1所示?？v橫向無(wú)明顯差異，內(nèi)壁無(wú)氧化皮和脫碳層等異常組織，中層有部分呈孿晶，晶粒度為7級(jí)，外壁無(wú)氧化皮、脫碳層、混晶等異常組織。進(jìn)口管的組織與國(guó)產(chǎn)管相類(lèi)似，為單一的奧氏體組織，有大量孿晶，晶粒較國(guó)產(chǎn)管略小， 約 為 9 ～ 10 級(jí)。 GB5310 規(guī) 定10Cr18Ni9NbCu3BN 鋼的晶粒度為7～10 級(jí)，兩種管樣晶粒度均滿(mǎn)足GB5310要求。

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.3.1 硬度

依據(jù)GB／T 231.1-2009 《金屬布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》在橫截面上進(jìn)行硬度測(cè)量，布氏硬度測(cè)量條件：儀器HBRV-187.5；載荷P為187.5kg；合金鋼球直徑2.5mm；載荷保持時(shí)間10s。

得出測(cè)試結(jié)果：國(guó)產(chǎn)管材橫截面硬度 （HBW）為167，進(jìn)口管材橫截面硬度 （HBW）為166。國(guó)產(chǎn)S30432 管材與進(jìn)口管材的硬度相當(dāng) （ASTM A213M-07標(biāo)準(zhǔn)要求＜219），均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3.2 室溫拉伸性能

依據(jù)GB／T228-2008 《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，采取弧形比例試樣，在MTS-880試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，加載速率2mm／min。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 樣管的室溫拉伸性能

參考對(duì)比試樣及相關(guān)性能數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn)管材的拉伸強(qiáng)度滿(mǎn)足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，且材質(zhì)的均勻性較好。同進(jìn)口對(duì)比取樣管樣相比，國(guó)產(chǎn)的S30432的拉伸性能無(wú)明顯差異。

2.3.3 高溫拉伸性能

參照GB／T 4338-2006 《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》，在MTS-880 電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載位移速率2mm／min，條件屈服強(qiáng)度使用引伸計(jì)測(cè)定。拉伸試樣的加熱在試驗(yàn)機(jī)附屬的管式加熱爐中進(jìn)行，試驗(yàn)溫度選取范圍100℃～700℃。

圖2 取樣管高溫拉伸強(qiáng)度與GB5310對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn)管的高溫強(qiáng)度均勻性較好。參考GB5310與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖2 所示，國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口兩組取樣管的高溫屈服強(qiáng)度均處于GB5310屈服強(qiáng)度下限曲線的上方，并且國(guó)產(chǎn)鋼材的高溫屈服強(qiáng)度明顯高于進(jìn)口管材，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)管材具有較高的高溫性能。

2.4 加工性能

2.4.1 壓扁試驗(yàn)

圖3 壓扁示意圖

壓扁試驗(yàn)后管材的形貌如圖4所示，經(jīng)檢查，國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口管材在壓扁試驗(yàn)后無(wú)可見(jiàn)裂紋特征，壓扁試驗(yàn)合格。

圖4 壓扁后管外壁特征

2.4.2 彎曲試驗(yàn)

依據(jù)GB／T 232-1999 《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》，按規(guī)格對(duì)管樣內(nèi)外壁取樣進(jìn)行180°彎曲試驗(yàn)，在AG-IC島津電子拉伸萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。結(jié)果表明：送檢國(guó)產(chǎn)管在正彎、反彎試驗(yàn)后均無(wú)可見(jiàn)裂紋特征，彎曲試驗(yàn)合格）。彎曲后管外壁特征見(jiàn)圖5。

圖5 彎曲后管外壁特征

2.5 晶間腐蝕試驗(yàn)

依據(jù)GB／T 4334-2008 《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》，對(duì)國(guó)產(chǎn)管材4件 （內(nèi)壁2件、外壁2件）和進(jìn)口管4件 （內(nèi)壁2件、外壁2件）分別進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。

所有檢測(cè)樣品經(jīng)觀察分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果表明：國(guó)產(chǎn)管經(jīng)過(guò)敏化然后經(jīng)過(guò)不銹鋼硫酸—硫酸銅腐蝕試驗(yàn)后，內(nèi)外壁未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。進(jìn)口管內(nèi)壁表面有輕微的開(kāi)裂特征。

2.6 高溫持久性能

對(duì)國(guó)產(chǎn)管進(jìn)行700℃持久試驗(yàn)，基于目前的長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù) （最長(zhǎng)斷裂時(shí)間為5075h），對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行10萬(wàn)h持久強(qiáng)度初步校核計(jì)算。利用等溫線外推法得到應(yīng)力lgσ和蠕變時(shí)間lgt線性關(guān)系曲線，如圖6所示，得到持久強(qiáng)度外推方程為：

以2009、2012年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)InVEST模型，對(duì)研究區(qū)2009、2012年的生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果如圖1a與圖1b所示。由圖可知：總體上來(lái)看，研究區(qū)域生境質(zhì)量呈現(xiàn)中間低、兩邊高的空間格局，有較為明顯的聚集現(xiàn)象，以湘江為界，南邊生境質(zhì)量低的區(qū)域高于北邊；在研究區(qū)域邊緣區(qū)域、水系及林地分布的區(qū)域，都保持了比較高的生境質(zhì)量；研究區(qū)域三個(gè)時(shí)間段的生境質(zhì)量存在差異，生境質(zhì)量高的區(qū)域和質(zhì)量低的區(qū)域均有所變化。

式中：σ——應(yīng)力，MPa；

t——蠕變時(shí)間，h。

由該方程得到S30432國(guó)產(chǎn)管10 萬(wàn)h、700℃的外推持久強(qiáng)度為83.2 MPa，高于GB5310 對(duì)10Cr18Ni9NbCu3BN （S30432對(duì)應(yīng)材質(zhì)）在700℃持久強(qiáng)度的要求71 MPa，但顯著低于進(jìn)口SUPER304H 的持久強(qiáng)度試驗(yàn)值 （110 MPa），見(jiàn)圖7。

圖6 應(yīng)力lgσ和蠕變時(shí)間lgt線性關(guān)系圖

2.7 高溫時(shí)效后性能

對(duì)國(guó)產(chǎn)原始管取樣，在高溫爐中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)時(shí)效試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為700℃，時(shí)效時(shí)間為3000h。對(duì)時(shí)效后試樣開(kāi)展硬度、室溫拉伸、金相組織觀察等試驗(yàn)。

圖7 持久強(qiáng)度比較圖

2.7.1 時(shí)效樣硬度試驗(yàn)

ASTM A213／A213M-07 對(duì)S30432 （SUPER304H）的硬度要求：不大于219 HBW／230 HV／95 HRB，與GB5310對(duì)10Cr18Ni9NbCu3BN的硬度要求相同。3000h時(shí)效后試樣硬度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，相比原始管，時(shí)效管的硬度有所升高。時(shí)效試樣硬度值見(jiàn)表4，表中針對(duì)700℃時(shí)效3000h管材和原始管材各測(cè)試了4個(gè)點(diǎn)的硬度值。

2.7.2 時(shí)效樣室溫拉伸試驗(yàn)

室溫拉伸試驗(yàn)采用弧形試樣，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。與原始管相比較，時(shí)效3000h后管材的屈服強(qiáng)度有所降低，但抗拉強(qiáng)度明顯升高，塑性略有下降。時(shí)效試樣的拉伸性能均能滿(mǎn)足各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表4 國(guó)產(chǎn)管時(shí)效試樣布氏硬度值 HB

表5 時(shí)效管室溫拉伸性能

2.7.3 時(shí)效樣微觀組織分析

依據(jù)DL／T 884-2004 《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)管樣取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，浸蝕劑王水。GB5310 規(guī)定10Cr18Ni9NbCu3BN 鋼的晶粒度為7～10 級(jí)；時(shí)效管樣晶粒度滿(mǎn)足GB5310 要求。相比原始管，時(shí)效樣晶界略有粗化，見(jiàn)圖8，孿晶特征大幅減少。

對(duì)在700℃下時(shí)效3000h 的試樣進(jìn)行電鏡觀察，對(duì)發(fā)生粗化的晶界處進(jìn)行顆粒物觀察并開(kāi)展能譜分析，晶界上析出物主要為含Mo、Cr、Fe、Ni的碳化物 （主要為M23C6類(lèi)碳化物的組成元素）。晶界上有析出碳化物，但析出量少，顆粒較為細(xì)小，未形成串狀，故材質(zhì)的室溫強(qiáng)度仍保持較高。

在時(shí)效過(guò)程中不斷地有強(qiáng)化相析出 （如MX相），造成了材質(zhì)硬度有所上升。在晶粒內(nèi)部也有少量的含Nb的MX 相析出，與晶界的M23C6碳化物相比，較為細(xì)小，這種尺寸細(xì)小的MX 析出相隨時(shí)效時(shí)間的增加而逐漸析出，彌散相維持了材質(zhì)的高溫強(qiáng)度和高溫持久強(qiáng)度。但由于材質(zhì)中的Nb大多以純Nb存在，未能全部以細(xì)小MX 相析出，故彌散析出量相對(duì)較少，彌散強(qiáng)化作用未充分發(fā)揮。

圖8 國(guó)產(chǎn)管時(shí)效橫截面金相組織

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)S30432 管材進(jìn)行綜合檢驗(yàn)，結(jié)果表明國(guó)產(chǎn)S30432管材在化學(xué)成分、金相組織、硬度、室溫拉伸性能、高溫拉伸性能、加工性能、晶間腐蝕性能以及高溫持久強(qiáng)度均滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，各項(xiàng)指標(biāo)與進(jìn)口管材性能相當(dāng)。

（2）時(shí)效試驗(yàn)總體結(jié)果表明，國(guó)產(chǎn)S40432管材700℃時(shí)效3000h后，材質(zhì)的力學(xué)性能仍滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，微觀組織較穩(wěn)定，因此保障了材質(zhì)的高溫服役環(huán)境要求。