锅炉钢板
2019-03-18 11:00:17
锅炉钢板主要是指用来制造过热器、主蒸汽管和锅炉火室受热面用的热轧中厚板材料，主要材质有优质结构钢及低合金耐热钢，常用的锅炉钢有平炉冶炼的低碳镇静钢或电炉冶炼的低碳钢，含碳量Wc在0.16%-0.26%范围内。由于锅炉钢板处于中温（350ºC以下）高压状态下工作，除承受较高压力外，还受到冲击，疲劳载荷及水和气的腐蚀，对锅炉钢的性能要求主要是有良好的焊接及冷弯性能、一定的高温强度和耐碱性腐蚀、耐氧化等。 锅炉及压力容器用板主要钢号及执行标准 （1）锅炉板主要钢号有：20g、16Mng、15CrMoVg、19Mng、22Mng （2）压力容器用板主要钢号有：20R、16MnR、15MnNbR、15MnVNR （3）执行标准：GB713-1997、GB6654-1996 锅炉及压力容器用板的主要用途 锅炉钢板广泛应用于石油、化工、电站、锅炉等行业，用于制作反应器、换热器、分离器、球罐、油气罐、液化气罐、核能反应堆压力壳、锅炉汽包、液化瓶、水电站高压水管、水轮涡壳等设备及构件 锅炉钢板是锅炉制造中非常关键的材料之一。超临界火电机组锅炉的发展,对锅炉钢板的性能提出了更高的要求。锅炉新材料的应用是由材料标准作为载体而实施的。对比分析我国标准与美国ASME 材料标准之间存在的差距,制定适合我国火电机组发展的先进的锅炉钢板标准,应是发展方向。关键词: 锅炉钢板;性能;标准;ASME; 超临界中图分类号: TG335. 5 文献标识码:B 文章编号: 1003 -0514(2005)04 -0037 -05 The comparison and development of the standard of Chinese and American boiler plate ZHANG Xian( Babcock & Wilcox Beijing Company , Beijing 100001 , China )HUANG Ying( China Metallurgical Information & Standardization Research Institute , Beijing 100730 , China ) Abstract : Boiler plate is the important material of making boiler. The development of boiler of supercritical thermal power generator makes the claim for the capability of boiler plate. The application of the new material takes effect on the basis of material standard as a carrier. Compare and analyse the differences between Chinese and American ASME materials and de2 velop the boiler plate standard fit for our thermal power generator networks. Key words : boilerplate; capability; standard;ASME; supercritical 0 前言临界火电技术的最现实的途径,但是只有充分了解掌 近年来火电机组向大型化、高参数化发展的趋势握国际上那些技术成熟的新材料,并将其纳入我国电日益明显,超临界参数的火电机组已经在我国大量设站锅炉用钢标准,建立适合我国火电机组发展的先进计建造。作为火电机组三大主机之一的锅炉,对其所的锅炉用钢体系,促进新型锅炉用钢国产化,才是发使用钢的耐高温高压、耐腐蚀、性能稳定等方面提出展我国超临界火电机组的关键。了更高的要求。新型锅炉用钢的研制、开发与应用, 锅炉钢板是锅炉制造中非常关键的材料之一,主一直是火电机组发展所面临的重大课题,各国均投入要是指用来制造锅炉中的锅壳、锅筒、集箱端盖、支吊了大量的人力、物力从事相关的研究工作。架等重要部件用的热轧专用碳素钢和低合金耐热钢 我国火电机组锅炉用钢的开发,近几十年来几乎中厚钢板材料。锅炉钢板常常处于中、高温和高压状处于完全停滞状态。目前超临界火电机组,甚至包括态下工作,除承受较高温度和压力外,还受到冲击,疲部分亚临界机组锅炉中的许多关键材料完全依赖进劳载荷及水和气的腐蚀,工作条件较差。如果锅炉在口。新材料的开发和应用是锅炉制造取得技术进步使用过程中发生破坏性事故,将会造成严重的损失。的基础,新材料是由材料标准和技术条件作为载体而因此锅炉钢板必须具有良好的物理性能、力学性能和实施的。虽然从国外购买先进材料是现阶段发展超可加工性,并在材料标准的技术条款中给予严格的规 收稿日期:2005-06-20 作者简介:张显,高级工程师,1985 年毕业于合肥工业大学材料工程系,现工作于北京巴威公司工程部。 . 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 定,以满足其使用中的安全。 美国机械工程师协会(ASME) 负责制订、颁布和实施的锅炉压力容器技术规范,它不仅是统一的美国国家标准, 同时也是国际公认的标准法规系统。ASME 规范第II 卷材料篇,主要引用了美国材料试验学会(ASTM) 的相应材料标准和材料试验标准。在ASME 规范中允许使用的材料一般来说必须按照第II 卷的材料标准供货。因此,只有认真研究ASME 材料标准,并与我国锅炉钢板标准进行对比与分析,找出之间的差距,才能建立适合我国超临界火电机组发展的完善的锅炉用钢板标准和标准体系。 1 常用锅炉钢板及性能要求 从材料上来分,锅炉钢板可分为专用碳素钢板和低合金耐热钢板两类。锅炉钢板所用的材料对化学成分,特别是对磷、硫等有害元素和铬、镍、铜等残余元素有严格的控制;冶炼时还应进行良好的脱氧和去除非金属夹杂物,以保证良好的塑性和韧性;组织结构要求均匀,晶粒度控制在一定范围内(通常希望晶粒度在3～7 级之间);对表面质量和内部缺陷也有严格的要求;此外常温和高温力学性能必须保证。 根据工作条件不同,锅炉钢板又可分为制造室温及中温承压部件钢板和制造高温承压部件钢板两大类。 室温及中温(蠕变温度以下) 用锅炉钢板,大多采用碳素钢,包括碳钢、碳锰钢、碳锰硅钢等,即GB713 -1997 锅炉用钢板中的20g 、22Mng 、16Mng 、19Mng 钢,以及美国ASME SA -515ΠSA -515M 中高温压力容器用碳钢板、SA-299ΠSA -299M 压力容器用碳锰硅钢板等。主要用于制造锅炉的锅筒、中温以下集箱端盖等承压部件。要求其应具有较高的室温强度;良好的冲击韧性和较低的缺口敏感性;由于锅筒等部件在加工时需要大量的冷变形,因此还要具有良好的时效韧性;另外还要具备良好的加工工艺性和焊接性能;以及良好的低倍组织等。 高温(蠕变温度以上) 用锅炉钢板,一般采用低合金耐热钢,常用有铬钼钢、铬钼钒钢、铬钼钨钢等。例如GB713 -1997 锅炉用钢板中的15CrMog 、12Cr1MoVg , 以及美国ASME SA -387ΠSA387 -M 压力容器用铬-钼合金钢板中的Gr22 、Gr91 和ASME SA -1017ΠSA1017 -M 压力容器用铬-钼-钨合金钢板中的Gr23 、Gr911 、Gr122 钢等。主要是用以制造高温集箱封头端盖、蒸汽管道堵板等高温承压部件。要求 其必须具有足够的高温持久强度和持久塑性;良好的高温组织稳定性;良好的高温抗氧化性(耐热性);以及良好的冷热加工工艺性(主要指冷弯变形和可焊接性) 等。 2 锅炉钢板标准对比分析 对锅炉制造行业来说,ASME 无疑是世界上最权威、最先进、最完善的建造规范。我国的锅炉行业在引进超临界火电机组锅炉的制造技术时,几乎无一例外的采用了美国机械工程师协会(ASME) 制订、颁布和实施的锅炉压力容器技术规范。 现阶段我国的锅炉钢板标准体系分为通用标准和产品标准两层,通用标准包括GBΠT247 钢板和钢带检验、包装、标志及质量证明书的一般规定和GBΠ T14977 热轧钢板表面质量的一般要求两个标准,产品标准仅GB713 锅炉用钢板1 个标准。另外我国还有一个压力容器钢板标准GB6654 压力容器用钢板, 但因为其与大型火电机组锅炉用钢板的要求相距甚远,因此不适合高压以上大型火电机组锅炉上使用。 美国ASME 规范第II 卷材料A 篇(铁基材料) 中, 有关锅炉和压力容器用钢板标准共约44 个,虽然在标准名称上都称作“压力容器用钢板”,但在每一个标准中的第一部分“适用范围”中,对本标准适用于锅炉还是压力容器,都做了明确的规定。所以适用于锅炉用钢板的标准大约有9 个,按体系也可以分为两层, 即通用标准1 个SA-20ΠSA-20M 压力容器用钢板通用要求和产品标准8 个SA-202ΠSA -202M 压力容器用铬锰硅合金钢板、SA-204ΠSA -204M 压力容器用钼合金钢板、SA-299ΠSA -299M 压力容器用碳锰硅钢板、SA-302ΠSA -302M 压力容器用锰钼和锰钼镍合金钢板、SA-387ΠSA -387M 压力容器用铬钼合金钢板、SA-515ΠSA -515M 中高温压力容器用碳钢板、SA-516ΠSA -516M 常低温压力容器用碳钢板、SA -1017ΠSA -1017M 压力容器用铬钼钨合金钢板。另外所有ASME 材料的物理性能、使用温度和许用应力等数据,都集中放在ASME 规范第II 卷D 篇材料性能当中,使用和查找十分便利。 通过对比ASME 锅炉钢板标准及体系可以看出, 我国锅炉钢板产品标准GB713 锅炉用钢板中,将不同品种和不同使用要求的锅炉钢板,以及锅炉钢板的一般性能和高温特殊性能等都放在一起表述,篇幅烦琐,对锅炉钢板的性能要求体现不够。ASME 锅炉钢板标准的制订是按材料加以区分的,每一类材料制订 第4 期 中美锅炉钢板标准的对比及发展 一个标准。标准内容除了规定了这一类材料的基本性能外,对具体用途和注意事项,以及协议条款等,在标准中都有非常详细的规定,充分体现了对锅炉钢板的性能要求,技术性突出,贸易性明显。标准体系和内容非常清晰,让人一目了然。用户在选择和使用上也很方便。 因此,现阶段我国的锅炉钢板标准及体系应加大力度重新予以制修订,以适应先进的超临界锅炉技术的发展对锅炉钢板的要求。 3 锅炉钢板标准发展探讨 上世纪80～90 年代,我国电力制造行业成功地引进了亚临界参数锅炉技术。为适应亚临界压力以下锅炉对锅炉钢板的要求,由鞍山钢铁集团公司、冶金工业信息标准研究院等单位,对GB713 -86 锅炉用碳素钢和低合金钢钢板进行了重新修订。新修订并一直沿用至今的锅炉钢板标准为GB713 -1997 锅炉用钢板。在这个版本中,除了20g 和16Mng , 新增加了用于制造锅筒的19Mng (等同于德国标准19Mn6) 、22Mng (等同于美国标准SA299) 、13MnNiCrMoNbg (等同于德国标准BHW355) 等三个牌号,以及用于高温集箱端盖及支吊架等部件的15CrMog 、12Cr1MoVg 两个耐热钢牌号,其他内容也做了一定的修改。新修订的GB713 -1997 锅炉用钢板,不仅基本上满足了亚临界压力以下锅炉锅筒、集箱端盖及其支吊件的要求, 为我国电力事业的发展做出了突出贡献,而且还带动了我国钢铁行业的技术进步和产品质量的提高。 进入本世纪以来,随着世界上超临界参数火电机组的发展,我国也开始引进并大量设计制造超临界参数火电机组。超临界火电机组锅炉大多采用直流循环,螺旋炉膛,用汽水分离器替代了锅筒汽包,锅炉中集箱的温度和压力更高,更多的使用一些新型的、性能优异的耐热合金钢。由于对锅炉钢板的性能提出了新的要求,因此一直沿用的GB713 -1997 锅炉用钢板标准,其中的一些内容和技术指标,无论是与国外先进水平标准相比,还是与锅炉行业发展的相关要求相比,均存在着一定的差距,主要体现在下述几个方面: 3. 1 标准水平 锅炉钢板产品标准GB713 -1997 锅炉用钢板,采用国际先进标准力度远远不够,标准水平只达到了国际一般水平。由于锅炉钢板标准属于重要用途的产品标准,安全可靠性要求严格,制造技术难度高,而且产量比较大。随着我国钢铁行业的生产技术和产品质量的不断提高,锅炉钢板标准应继续采用国际先进标准,加强采标力度,不断提高标准水平。 由于我国锅炉钢板产品标准只有一个,因此可以按照ASME 规范第II 卷D 篇材料性能的模式,制订一份有关我国锅炉钢板材料力学性能和物理性能的通用标准,也可以将这些材料性能完全放在产品标准GB713 中,包括锅炉设计选材时必须用到的高温规定非比例延伸强度(Rp0. 2) 、高温持久强度等力学性能, 以及常用的热膨胀系数、弹性模量等物理性能。另外如有可能,还可参照ASME 的方法,按不同材料、用途和性能,将锅炉用钢板标准细分成若干个标准(如专用碳素钢板、低合金耐热钢板等),以适应用户的需要和应用。 3. 2 外形尺寸 由于我国钢铁行业技术和装备水平的制约,锅炉用的宽厚钢板还几乎无法生产。GB713 仅适用于厚度6～150mm 的范围,而亚临界锅炉锅筒用的钢板厚度一般都在160～210mm 之间,只能依靠进口解决。我们只有提高那些重要用途、技术含量高的产品标准的水平,才有利于带动整个钢铁工业技术进步和产品质量提高,才能最终实现国产化,摆脱进口的束缚。 近年来,钢铁行业在国家良好的经济发展形式下,正大幅度的提高整体技术和装备水平。“十五”规划建设的宝钢5 000mm 宽厚板轧机工程项目,建成投产后其生产的锅炉钢板厚度可达到5～400mm 。作为我国第一套现代化的特宽幅宽厚板轧机,它的建设将带动我国宽厚板生产技术的跳跃式发展,对提升我国宽厚板产品档次,增强我国的综合国力,将发挥积极作用。我们应抓住国内钢铁技术和锅炉制造技术取得突破性进步这个机会,将新技术和新要求纳入锅炉钢板标准,并向国际先进水平标准靠拢,提高我国锅炉钢板标准的技术水平。 3. 3 材料牌号 材料标准和技术条件是材料应用的载体。随着火电机组参数的提高,锅炉制造水平不断进步,ASME 会随着每三年一次修订和每年的增补, 根据建造ASME 规范产品的需要和冶金技术的发展,适当地在原有钢种基础上新纳入和增加代表当今世界最新材料技术水平的新型材料。例如,为适应超临界锅炉集箱封头端盖和支吊架等部件对耐热钢板的要求,最新的2004 版ASME 规范第II 卷材料A 篇中,新制订了SA -1017ΠSA -1017M 压力容器用铬-钼-钨合金钢板标准。我国锅炉用钢板标准在新型材料的纳标上炉钢板材料几乎没有纳入。显得滞后,往往跟不上锅炉制造技术的发展,现行的GB713 -1997 锅炉用钢板与ASME 锅炉钢板标GB713 -1997 锅炉用钢板已经使用了8 年之久,材料准中材料牌号之间的对比,见表1 所示。品种偏少,供用户选择的余地小,特别是高温用的锅 表1 GB713 与ASME 锅炉钢板材料牌号对比 品种 材料 GB713 标准 材料 ASME 标准 碳锰钢 -16Mng GB713 -1997 锅炉用钢板 SA516 -55 SA516 -60 SA -516ΠSA -516M 常低温压力容器用碳钢板 - SA516 -65 19Mng SA516 -70 20g - SA515 -60 SA515 -65 SA -515ΠSA -515M 中高温压力容器用碳钢板 22Mng SA515 -70 锰铬锰钼钢 22Mng ---13MnNiMoNbg SA -299 SA -202 GrA 、GrB SA -204 GrA 、GrB 、GrC SA -302 GrA 、GrB 、GrC 、GrD SA -299ΠSA -299M 压力容器用碳锰硅钢板SA -202ΠSA -202M 压力容器用铬锰硅合金钢板SA -204ΠSA -204M 压力容器用钼合金钢板SA -302ΠSA -302M 压力容器用锰钼和锰钼镍合金钢板等同于德国标准BHW355 铬钼钢 -15CrMog SA -387Gr2 SA -387Gr12 SA -387ΠSA -387M 压力容器用铬钼合金钢板 SA -387Gr11 - SA -387Gr22 、22L - SA -387Gr21 、21L - SA -387Gr5 - SA -387Gr9 - SA -387Gr91 - SA -387Gr911 12Cr1MoVg - -- SA -1017Gr23 SA -1017Gr911 SA -1017ΠSA -1017M 压力容器用铬钼钨合金钢板 - SA -1017Gr122 通过表1 对比可以看出,用于室温及中温(蠕变温度以下) 的碳锰系列锅炉钢板, GB713 共收纳了5 个牌号,可以满足亚临界以下火电机组锅炉中汽包锅筒、水冷壁集箱端盖、以及低温过热器和省煤器集箱端盖、支吊架等零部件的需要。对于ASME 中的锰铬、锰钼等系列标准中的钢板牌号,我国火电机组锅炉基本不使用,因此不需要纳入我国锅炉钢板标准。用于高温( 蠕变温度以上) 的铬钼系列锅炉钢板, GB713 -1997 中牌号只有2 个。其中15CrMog 最高使用温度为550 ℃,12Cr1MoVg 最高使用温度为565 ℃。而超临界火电机组锅炉中的高温过热器和再热器集箱等部件的金属壁温已经达到600 ℃以上,15CrMog 和12Cr1MoVg 已经达不到要求,因此应将ASME 标准中那些可以使用在600 ℃及以上的材料SA -387Gr22Π 22L 、SA -387Gr91 、SA -387Gr911 、SA -1017Gr122 等, 纳入我国的锅炉用钢板标准,以适应超临界火电机组锅炉技术的发展,提升我国冶金和机电产品的整体水平。 3. 4 技术要求GB713 -1997 规定的技术要求,与ASME 锅炉钢板标准中规定的技术要求对比,见表2 。 从表2 中可以看出,ASME 锅炉钢板标准中的技术要求,除了化学成分和基本的力学性能必须保证外,其余大多是供不同的用户在不同的使用中,对钢板的技术要求做出不同选择的协议项目。ASME 充分体现了以市场为导向,以用户需求为目标的世界先 第4 期 中美锅炉钢板标准的对比及发展 进标准的指导思想。而我国的锅炉用钢板标准显得微量元素、冶炼、锻造、热处理、金相组织等各种因素计划经济体制痕迹较重,起草和制修订标准时,对标的变化而变化的,它是一个帮助分析、判断材料的工准所使用的行业特点没有清楚的反映出来,对用户真艺和质量水平的有效方法。另外,当锅炉运行一段时正需要的技术要求和保证条款调查和重视不够,没有间后,通过材料的冷脆转变温度的变化情况,还可以达到生产型标准向贸易型标准转变的功效。帮助预测锅炉的运行寿命。因此在GB713 当中,应 根据表2 的对比分析发现,ASME 钢板标准都将将落锤试验或系列冲击试验,以及铬钼钢的硬度试验落锤试验作为钢板技术要求中的协议项目,这是因为等作为协议条款给出,方便用户在不同的使用条件下锅炉钢板冷脆转变温度的高低是随材料的化学成分、进行选择。 表2 GB713 与ASME 锅炉钢板技术要求对比 技术指标 GB713 SA202 SA204 SA299 SA302 SA387 SA515 SA516 SA1017 化学成分 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 交货状态 Δ Δ √〔注2〕 √〔注3〕 √〔注3〕 √ √〔注3〕 √〔注2〕 √ 常温拉伸 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 常温冲击 √ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ 时效冲击 √〔注1〕 Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ 冷弯试验 √ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ 表面质量 √ √ √ √ √ √ √ √ √ 无损探伤 Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ 厚度方向拉伸 Δ N N N N N N N N 高温拉伸 Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ 落锤试验 N Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ 磁粉检验 N Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ 奥氏体晶粒度 N N N N N √〔注4〕 Δ N N 硬度 N N N N N N N N √ 〔注1〕:仅对20g 和16Mng 有要求。〔注2〕:厚度大于40mm 的钢板必须正火处理。〔注3〕:厚度大于50mm 的钢板必须正火处理。 〔注4〕:仅对Gr2 钢板有要求。√:规定或必检项目;Δ:协议项目;N: 没有规定 4 结束语 材料是火电机组锅炉建造的基础和技术核心之一。美国ASME 规范把材料及其标准列为第二卷,作为整个规范的一个重要组成部分。ASME 钢材标准不仅是钢材生产部门的质量标准,而且是钢材使用单位(设计、制造、检验) 在选用、采购、验收、检验、加工时的依据。ASME 钢材标准是在市场经济模式下,由供需双方共同编制,且以反映钢材使用者的要求为主的标准。ASME 锅炉钢板标准看似十分繁多,但仔细分析却又体系明确、联系紧密、互相呼应、配套性强, 是锅炉建造中不可缺少的一部分。 相对比较而言,我国锅炉钢板仅有GB713 一个标准,其中的材料品种、牌号、等级等,都远远少于ASME 规范,使用上受到很大局限性。另外,我国过去是在计划经济体制下,主要以供方为主编制钢材质量标准,没有更全面地反映钢材使用者的要求和反映锅炉建造的要求,因此锅炉钢板标准在许多方面还不能满足用户需求。 中国锅炉制造行业和冶金行业需要共同努力,深入分析、理解ASME 规范等世界先进标准,找出我国锅炉钢板标准的不足,明确发展方向。今后应继续加大采用国际标准和国外先进标准的力度,积极促进ASME 规范中国化和ASME 钢材国产化,制修订出适合我国火电机组锅炉技术发展的先进的锅炉钢板标准,提升我国锅炉制造行业和冶金行业的整体水平, 更好的为经济建设服务。
