歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 10028-7:2016簡介及其與中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24511—2017的比較

顧德志,趙 凱,方宇頎

(1.林德工程(大連)有限公司，遼寧大連 116113;2.大連市鼎邁機(jī)械有限公司,遼寧大連 116014)

0 引言

歐亞經(jīng)濟(jì)聯(lián)盟(EAC)學(xué)院2014年第22號決議[1]將EN 13445標(biāo)準(zhǔn)與GOST相應(yīng)的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)共同作為海關(guān)聯(lián)盟安全技術(shù)指令TR CU 032/2013的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)，使得按EN 13445標(biāo)準(zhǔn)制造的壓力容器除了在歐盟(EU)及歐洲自由貿(mào)易聯(lián)盟(EFTA)的成員國流通外，可以在俄羅斯、白俄羅斯、哈薩克斯坦等國以法規(guī)形式使用的又一市場。雖然我國的壓力容器材料生產(chǎn)廠家很多，但國內(nèi)能按EN標(biāo)準(zhǔn)的材料生產(chǎn)廠家很少，這嚴(yán)重影響了我國按EN 13445標(biāo)準(zhǔn)制造產(chǎn)品的出口。在其壓力容器產(chǎn)品中，不銹鋼材料占很大一部分。本文介紹EN 13445標(biāo)準(zhǔn)引用的承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板標(biāo)準(zhǔn)EN 10028-7:2016Flatproductsmadeofsteelsforpressurespurposes—Part7:Stainlesssteels(以下簡稱EN 10028-7)，并與我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24511—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》(以下簡稱GB/T 24511)在化學(xué)成分、力學(xué)性能及應(yīng)用等方面進(jìn)行分析比較。

1 EN 10028-7 標(biāo)準(zhǔn)簡介

1.1 適用范圍

EN 10028承壓設(shè)備用鋼板標(biāo)準(zhǔn)由7個(gè)分篇組成，第一分篇 EN 10028-1：2017Flatproductsmadeofsteelsforpressurepurposes—Part1:Generalrequirements(以下簡稱EN 10028-1)規(guī)定了承壓設(shè)備用鋼板交貨技術(shù)條件的通用要求；后6個(gè)分篇除了各自不同類型鋼單獨(dú)的化學(xué)成分、力學(xué)性能等技術(shù)指標(biāo)外，與第一分篇緊密相連，分別引用了其通用交貨要求、檢驗(yàn)、取樣、試驗(yàn)方法、標(biāo)記要求。形成了EN標(biāo)準(zhǔn)同一標(biāo)題具有不同分篇的小標(biāo)題，第一分篇為通用要求，其余分篇是對第一分篇的必要補(bǔ)充，這種總分式結(jié)構(gòu)便于標(biāo)準(zhǔn)的使用。EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)最初于2000年發(fā)布，它規(guī)定了包括奧氏體抗蠕變鋼在內(nèi)的承壓用不銹鋼扁平鋼板交貨技術(shù)要求，與我國GB/T 24511標(biāo)準(zhǔn)一樣，其規(guī)定的不銹鋼材料主要用在鍋爐、壓力容器、壓力管道等耐高溫、耐低溫及耐腐蝕的承壓環(huán)境中。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)首頁封面，見文獻(xiàn)[2]中對其說明。EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)內(nèi)容主要通過列表形式加以闡述，運(yùn)用表格對不銹鋼不同型號的化學(xué)成分、力學(xué)性能、沖擊吸收能、熱處理溫度等進(jìn)行說明。

1.3 牌號

EN 10028-7牌號選自EN 10088-1:2014Stainlesssteels—Part1:Listofstainlesssteels。EN 10088-1附錄C中提到，不銹鋼除了按金相組織結(jié)構(gòu)分為鐵素體型、馬氏體型、沉淀硬化型、奧氏體型、奧氏體-鐵素體型外，還按照不銹鋼的使用特性將不銹鋼分為耐腐蝕鋼、耐熱鋼及抗蠕變鋼。為了與EN 13445材料篇一致，EN 10028-7引入了抗蠕變鋼(鋼號組1.49XX)，而未再納入耐高溫不銹鋼(鋼號組1.47XX,1.48XX)。EN 10028-7中將奧氏體不銹鋼分為兩組：33個(gè)耐腐蝕不銹鋼和8個(gè)抗蠕變不銹鋼。其中，耐腐蝕不銹鋼中含2個(gè)專利牌號：X2CrNiMoN21-9-1(1.4420)，X6CrMnNiCuN18-2-4-2(1.4646)不銹鋼。EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)中奧氏體不銹鋼并未將低溫用鋼列為單獨(dú)的應(yīng)用類型，低溫用鋼從耐腐蝕與抗蠕變鋼中選[3]。

GB/T 24511中牌號選自GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分》,并嚴(yán)格控制P,S含量。其中，牌號S39042，S11306與GB/T 20878—2007中S31782，S41008命名不一樣[4]。由于S30408/06Cr19Ni10含鎳量為8.00%～10.50%，嚴(yán)格地講，其牌號應(yīng)調(diào)整為06Cr19Ni9[5]。同樣，S30409/07Cr19Ni10牌號應(yīng)調(diào)整為07Cr19Ni9。

1.4 訂貨內(nèi)容

買方在詢價(jià)和訂貨時(shí)需按標(biāo)準(zhǔn)提出采購技術(shù)要求。EN 10028-7訂貨內(nèi)容分強(qiáng)制性條款和可選項(xiàng)條款，強(qiáng)制性條款完全引用EN 10028-1第7.1節(jié)，EN 10028-7第7.2節(jié)可選項(xiàng)條款也說明按EN 10028-1的相應(yīng)的可選項(xiàng)條款供貨。

在可選項(xiàng)的采購技術(shù)條款中，EN 10028-1標(biāo)準(zhǔn)在高溫力學(xué)性能要求、低溫沖擊要求、晶間腐蝕要求、內(nèi)部完好性的超聲波檢測要求都可以按用戶的需求進(jìn)行規(guī)定。與GB/T 24511不同，EN 10028-7的表面加工類型還有拋光狀態(tài)(1K，2K)，這主要用在海水環(huán)境中。

1.5 主要技術(shù)要求

EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)第8章規(guī)定了不銹鋼扁平板材的技術(shù)要求。EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)對鋼板的交貨狀態(tài)、化學(xué)成分、力學(xué)性能等都有嚴(yán)格的要求。實(shí)際上，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，EN 10028-7正文條款直接引用EN 10028-1標(biāo)準(zhǔn)中對檢驗(yàn)、取樣、試驗(yàn)方法等具體詳細(xì)的規(guī)定。EN 10028-1標(biāo)準(zhǔn)正文規(guī)定了針對不銹鋼的力學(xué)性能取樣位置及試樣制備，與其不同的是，GB/T 24511標(biāo)準(zhǔn)在其“規(guī)范性引用文件”中直接引用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》。

2 化學(xué)成分與力學(xué)性能

2.1 P,S含量的限制

奧氏體不銹鋼主要用在低溫、高溫及腐蝕的工況中，尤其抗蠕變奧氏體不銹鋼常使用在550 ℃以上高溫環(huán)境中。一般情況下，P在鋼中屬于有害元素，會產(chǎn)生“冷脆”，尤其是低溫脆性；S元素會產(chǎn)生“熱脆”，對焊接、耐腐蝕產(chǎn)生不利影響。C含量越低，P，S含量控制越嚴(yán)格。

以奧氏體不銹鋼為例,比較EN 10028-7與GB/T 24511兩標(biāo)準(zhǔn)對P，S含量限定范圍。從表1可以看出，EN 10028-7中奧氏體不銹鋼P(yáng)含量變化范圍較廣，最大0.070%，最小0.015%，其中6個(gè)奧氏體抗蠕變鋼P(yáng)含量0.035%，2個(gè)高Ni奧氏體抗蠕變鋼P(yáng)含量0.015%，8個(gè)超低碳(C含量低于0.03%)不銹鋼P(yáng)含量分別為0.030%，0.025%；而S含量只有0.015%，0.010%兩檔。

表1 EN 10028-7與GB/T 24511奧氏體不銹鋼P(yáng)，S含量比較Tab.1 Comparison of P and S content of austenitic stainless steel between EN 10028-7 and GB/T 24511

表1中，我國GB/T 24511標(biāo)準(zhǔn)除了2個(gè)超級奧氏體不銹鋼的P，S含量分別為0.030%，0.010%外，其余20個(gè)奧氏體不銹鋼牌號中的P，S含量分別為0.035%，0.015%。對于大部分的普通不銹鋼，GB/T 24511的P含量0.035%值較EN 10028-7中規(guī)定的0.045%值低，這有利于提高我國整體煉鋼水平。眾所周知，在煉鋼工藝中，脫硫容易、脫磷難,很容易將S含量降到0.010%以下，但將P含量降到0.030%以下是很不容易的。在表1中，EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)中高Ni奧氏體抗蠕變鋼的P含量控制在0.015%以下，可見EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)中個(gè)別抗蠕變不銹鋼P(yáng)含量限制較嚴(yán)格。

2.2 N元素對強(qiáng)度的影響

以奧氏體不銹鋼為例，分析EN 10028-7與GB/T 24511兩標(biāo)準(zhǔn)中N元素的強(qiáng)化作用。

將EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)中奧氏體不銹鋼熱軋厚鋼板、上限75 mm厚鋼板(不含牌號X6CrMnNiCuN18-2-4-2(1.4646)，因其只有冷壓板，上限8 mm厚)按屈服強(qiáng)度Rp0.2從大到小排序繪制圖1(因篇幅所限，只列舉26個(gè)牌號)。圖1中的抗拉強(qiáng)度Rm取標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)下限值，屈強(qiáng)比為Rp0.2/Rm的比值。

在EN 10028-7的表3中，當(dāng)N元素的質(zhì)量含量大于0.15%時(shí)，鋼的名稱會有“N”符號(以下簡稱含N不銹鋼)；如果N元素的質(zhì)量含量小于或等于0.15%時(shí)，鋼的名稱無“N”符號(以下簡稱不含N不銹鋼)。從圖1可以看出，10個(gè)含N不銹鋼較不含N不銹鋼屈服強(qiáng)度明顯高(含N不銹鋼強(qiáng)度值范圍為330～250 MPa，不含N不銹鋼強(qiáng)度值范圍為220～170 MPa)，含N不銹鋼屈強(qiáng)比也高(含N不銹鋼比值范圍為0.51～0.46，不含N不銹鋼比值范圍為0.44～0.34),屈強(qiáng)比低的不銹鋼多為不含N抗蠕變鋼(鋼號組1.49XX)，其塑性儲備也大。實(shí)際上含N不銹鋼高溫屈服強(qiáng)度和高溫抗拉強(qiáng)度也高。從圖1中還可以看出，C元素含量對強(qiáng)度的影響甚至沒有N元素含量對強(qiáng)度的影響大。

圖1 EN 10028-7中奧氏體不銹鋼抗拉強(qiáng)度下限、0.2%屈服強(qiáng)度及屈強(qiáng)比

圖2 GB/T 24511奧氏體不銹鋼抗拉強(qiáng)度、0.2%屈服強(qiáng)度及屈強(qiáng)比Fig.2 Tensile strength,0.2% yield strength and yield ratio of austenitic stainless steels in GB/T 24511

在GB/T 24511的表13中，當(dāng)N元素的質(zhì)量含量大于0.10%時(shí)，鋼的名稱會有“N”符號(以下簡稱含N不銹鋼)；如果N元素的質(zhì)量含量小于或等于0.10%時(shí)，鋼的名稱無“N”符號(以下簡稱不含N不銹鋼)。從圖2可以看出，除了2個(gè)超低碳奧氏體不銹鋼022Cr19Ni10N(S30453)，022Cr17Ni12Mo2N(S31653)外，4個(gè)含N不銹鋼屈服強(qiáng)度高于不含N不銹鋼。015Cr20Ni18Mo6CuN(S31252)，015Cr21Ni26Mo5Cu2(S39042)為唯一兩個(gè)超級奧氏體不繡鋼，C元素的質(zhì)量含量最大值0.02%。同是超級不銹鋼，含N不銹鋼015Cr20Ni18Mo6CuN(S31252，N含量0.18%～0.22%)的屈服強(qiáng)度大于不含N不銹鋼015Cr21Ni26Mo5Cu2(S39042，N含量0.10%)的屈服強(qiáng)度。可見，N元素對不銹鋼有一定的增強(qiáng)作用。

2.3 高溫力學(xué)性能

EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)之所以給出了奧氏體抗蠕變鋼的高溫蠕變持久強(qiáng)度，也是符合法規(guī)2014/68/EU 指令附錄Ⅰ基本安全 材料4.1(c)“不受顯著的老化影響(not be significantly affected by ageing)”。這種對材料使用壽命的要求是產(chǎn)品基于風(fēng)險(xiǎn)與壽命設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)、在役長周期安全運(yùn)行的保障，是產(chǎn)品綠色高性能的指標(biāo)[7-9]。

由于EN的承壓用鋼材料標(biāo)準(zhǔn)給出了高溫強(qiáng)度，與安全系數(shù)的比值即為公稱設(shè)計(jì)應(yīng)力，所以EN 13445-2即材料分篇不再給出公稱設(shè)計(jì)應(yīng)力(許用應(yīng)力)列表。與鋼材標(biāo)準(zhǔn)不同，EN標(biāo)準(zhǔn)的鋁材由于無承壓用鋁材標(biāo)準(zhǔn)，EN 485，EN 754，EN 755，EN 586都是工業(yè)結(jié)構(gòu)通用鋁材標(biāo)準(zhǔn)，無高溫力學(xué)性能，EN 12392:2000對這些鋁材標(biāo)準(zhǔn)包含高溫力學(xué)性能等進(jìn)行了補(bǔ)充規(guī)定，以適用于承壓設(shè)備。所以EN 13445-8的附錄A參照EN 12392:2000中表5，6給出了包含時(shí)效蠕變溫度下的“許用設(shè)計(jì)強(qiáng)度值”列表，這一點(diǎn)與GB/T 150—2011《壓力容器》中將材料許用應(yīng)力列在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的表格里相似。

GB/T 24511的資料性附錄D給出了高溫0.2%屈服強(qiáng)度，這是我國材料標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步，其值除以安全系數(shù)1.5后與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》許用應(yīng)力表5“高合金鋼鋼板許用應(yīng)力”中的數(shù)值一致。與此類似，我國的其他產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 12337—2014《鋼制球形儲罐》、NB/T 47003.1—2009《鋼制焊接常壓容器》、JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))都以列表形式列出了材料的高溫許用應(yīng)力。由于材料標(biāo)準(zhǔn)改版時(shí)的強(qiáng)度更新(如GB/T 24511—2017較前一版本提高了常用的6個(gè)奧氏體不銹鋼屈服強(qiáng)度的下限值)導(dǎo)致產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的許用應(yīng)力無法及時(shí)更新,使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需多加注意，及時(shí)考慮許用應(yīng)力的改變。

2.4 低溫力學(xué)性能

EN 10028-7附錄E給出了奧氏體不銹鋼低溫力學(xué)性能的參考數(shù)據(jù)。以X2CrNiMo17-12-2(1.4404)牌號為例制作低溫力學(xué)性能圖，如圖3所示?？梢钥闯?，隨著溫度的下降，屈服強(qiáng)度Rp0.2及抗拉強(qiáng)度Rm增大，延伸率A降低。實(shí)際上在EN 10028-7附錄E表中，除了X5CrNi18-10(1.4301)牌號奧氏體不銹鋼在-196 ℃的屈服強(qiáng)度(300 MPa)小于在-150 ℃的屈服強(qiáng)度(315 MPa)外，其他不銹鋼溫度越低，強(qiáng)度越高，延伸率越低，并且抗拉強(qiáng)度的增加要比屈服強(qiáng)度增加的速度快。由于奧氏體不銹鋼具有良好的低溫沖擊韌性和應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，使其廣泛用于深冷容器制造[10]。

圖3 X2CrNiMo17-12-2(1.4404)奧氏體不銹鋼低溫抗拉強(qiáng)度Rm、0.2%屈服強(qiáng)度Rp0.2及延伸率AFig.3 Tensile strength Rm,0.2% yield strength Rp0.2andelongation A of austenitic stainless steels X2CrNiMo17-12-2(1.4404) at cryogenic temperature

3 厚度與密度

3.1 板材厚度上偏差

以熱軋厚鋼板為例，比較GB/T 24511及EN 10028-7兩標(biāo)準(zhǔn)板厚上偏差的不同(下偏差均為0.30 mm)。

EN 10028-7的熱軋厚鋼板尺寸和形狀公差引用標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 18286Hot-rolledstainlesssteelplates-Tolerancesondimensionsandshapewen。表2為每10 mm為一檔，列出厚度10～80 mm鋼板上偏差及其差值。從表2可以看出，在相同板幅寬度、相同厚度下，EN 10028-7板材上偏差比GB/T 24511要大，隨著板厚增加，上偏差的差值越大，最大值1.88 mm。在壓力容器強(qiáng)度計(jì)算中只考慮板厚下偏差，在設(shè)計(jì)上板厚上偏差很少用到?？紤]到板材制造的經(jīng)濟(jì)性，我國GB/T 24511熱壓厚鋼板的厚度上偏差可以適當(dāng)放寬。另外，GB/T 24511標(biāo)準(zhǔn)將板材厚度允許偏差分為普通精度(PT.A)和較高精度(PT.B)，這兩者相差很小，在壓力容器使用中，幾乎用不到厚度上偏差為較高精度的鋼板。

表2 GB/T 24511普通精度(PT.A)熱軋厚鋼板與EN 10028-7熱軋厚鋼板的板厚上偏差比較Tab.2 Comparison of thickness upper deviations of hot-rolled thick plates with ordinary precision (PT.A) in GB/T 24511and those in EN 10028-7 mm

3.2 密度常量

EN 10028-7中牌號使用的密度常量在其引用標(biāo)準(zhǔn)EN 10088-1:2014附錄E中。與其不同的是，GB/T 24511的附錄A以列表的形式給出了不銹鋼的密度值。在不銹鋼材料的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20878—2007中也有密度、彈性模量、線膨脹系數(shù)等物理常量，GB/T 24511中雖然列出了材料密度值，但還缺其他物理常量，可在GB/T 24511的“規(guī)范性引用文件”中直接引用GB/T 20878—2007標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的編制亦要避免各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間的參數(shù)重復(fù)出現(xiàn)，相同的數(shù)據(jù)盡量相互引用，以便于標(biāo)準(zhǔn)修訂改版。畢竟，標(biāo)準(zhǔn)不能把所有的基本參數(shù)都列入其中，應(yīng)重點(diǎn)放在其核心技術(shù)要求上。

4 在規(guī)范中的使用

EN 10028-7標(biāo)準(zhǔn)主要用在EN 13445，EN 13480，EN 1092-1，AD2000規(guī)范，以及AutoPIPE Vessel和DIMY強(qiáng)度計(jì)算軟件中。GB/T 24511標(biāo)準(zhǔn)主要用在GB/T 150—2011，JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))、GB/T 12337—2014標(biāo)準(zhǔn)及SW-2011強(qiáng)度計(jì)算軟件中。

EN鋼材的力學(xué)性能，如高溫拉伸強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度等在材料標(biāo)準(zhǔn)中已有規(guī)定。若在EN 13445設(shè)計(jì)制造中使用了GB材料，需要按EN 764-4附錄F表格樣式申報(bào)PMA(Particular material appraisals，特殊材料評估)。

5 結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，用戶對材料的要求越來越高，材料要有多種性能。如雙證材料304/304L，316/316L，既要有304L，316L低碳鋼的化學(xué)成分以耐腐蝕，又要有304，316高碳鋼的強(qiáng)度以減少板材厚度。又如P355NL1/NH,既要滿足P355NL1低溫沖擊要求，又要滿足P355NH高溫力學(xué)性能。國外在合金設(shè)計(jì)中經(jīng)常將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法(GA)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對合金成分和熱處理參數(shù)多重目標(biāo)的優(yōu)化[11]。

除了板材標(biāo)準(zhǔn)中的奧氏體不銹鋼，EN承壓用不銹鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)EN 10222-5、不銹鋼無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)EN 10216-5、不銹鋼有縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)EN 10217-7中的奧氏體不銹鋼都給出了1.0%屈服強(qiáng)度,充分利用奧氏體不銹鋼的良好塑性。相信我國的承壓用不銹鋼鍛件標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47010、鋼管標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24593，GB/T 14976將來也會給出這一技術(shù)指標(biāo)。

產(chǎn)品要有自己的核心技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)亦是如此，要有自己的技術(shù)壁壘，提高其產(chǎn)品的競爭力。標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展更新需要摸索、嘗試、修正，是一個(gè)長期堅(jiān)持和積累的過程。