能源產(chǎn)業(yè)用不銹鋼—鍋爐用不銹鋼無縫鋼管

1、前言

鍋爐用鋼管可分為兩種制造方法：無縫鋼管和電焊鋼管、兩種材質(zhì)：鐵素體鋼和奧氏體不銹鋼、兩種用途：配管和傳熱管。將這些制造方法、材質(zhì)和用途組合起來共計(jì)8種類別。但使用不銹鋼的只有奧氏體不銹鋼無縫鋼管傳熱管。在JIS標(biāo)準(zhǔn)中，不銹鋼的Cr含量在11%以上，牌號(hào)的表示方法是SUS+數(shù)字序號(hào)。

2、傳熱管和配管

    傳熱管又叫做熱交換管，作用是將鍋爐的燃燒熱量傳遞給熱交換管內(nèi)流動(dòng)的水。配管是輸送水和水蒸氣用的鋼管，不進(jìn)行熱交換。傳熱管的日本標(biāo)準(zhǔn)是JIS G3463“鍋爐、熱交換器用不銹鋼鋼管”，配管的日本標(biāo)準(zhǔn)是JIS G3459“配管用不銹鋼鋼管”。在這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都有通用不銹鋼SUS304（18C-8Ni奧氏體不銹鋼）。SUS304傳熱管和配管雖然是化學(xué)成分、熱處理、力學(xué)性能、尺寸相同，但分別屬于不同的標(biāo)準(zhǔn)。

3、鍋爐傳熱管不使用鐵素體不銹鋼

不銹鋼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼。鐵素體不銹鋼是體心立方晶格的金屬。是面心立方金屬，奧氏體不銹鋼中添加Cr和較多的Ni、Mn。鐵中含C的鋼在常溫下組織是鐵素體。為在常溫下獲得奧氏體，必須在鋼中添加10%以上的Cr、Ni。

鐵素體鋼的特點(diǎn)是，高溫下原子擴(kuò)散速度快（約為奧氏體鋼的10倍）、導(dǎo)熱性好、熱膨脹率小。缺點(diǎn)是在高溫下，發(fā)生析出脆化、韌性差、強(qiáng)度低（尤其是高溫蠕變強(qiáng)度低）。蠕變是負(fù)荷作用下的金屬在高溫下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生變形、斷裂的現(xiàn)象。一般來說，鋼在400℃以上時(shí)會(huì)發(fā)生蠕變。

鍋爐用鋼管在最高蒸汽溫度約600℃、壓力約25MPa（約250個(gè)大氣壓）的條件下使用，對(duì)鋼管最重要的要求是具有在高溫高壓下使用30年以上的高溫強(qiáng)度（蠕變強(qiáng)度）。含11%以上Cr的鐵素體不銹鋼鋼管的高溫蠕變強(qiáng)度不及奧氏體不銹鋼。此外，由于鐵素體不銹鋼高溫下原子擴(kuò)散速度快，產(chǎn)生σ相（50Fe-50Cr）使鋼的強(qiáng)度下降、脆性顯著。含有較多Ni、N、Mn的奧氏體不銹鋼可以抑制σ相的產(chǎn)生。鍋爐傳熱管要求具有良好的高溫組織穩(wěn)定性和較高的高溫強(qiáng)度，所以不采用鐵素體不銹鋼。

4、鍋爐傳熱管用奧氏體不銹鋼

鍋爐傳熱管用奧氏體不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)體系如圖1。牌號(hào)前帶有“火”字的材料是基于“電氣事業(yè)法”的“火力技術(shù)基準(zhǔn)解釋”認(rèn)可的、近年來實(shí)用化的材料。雖然鍋爐傳熱管也可以使用一般的JIS標(biāo)準(zhǔn)中的不銹鋼鋼管，但由于對(duì)鍋爐鋼管有高溫高壓、長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)可靠性的要求，因此使用經(jīng)第三方專家審定認(rèn)可的材料。這種材料的牌號(hào)前帶有“火”字，以區(qū)別于一般用途不銹鋼。

火SUS304J1HTB（18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N）是日本自主開發(fā)的細(xì)晶組織（晶粒度8級(jí)）奧氏體不銹鋼，具有良好的抗水蒸氣氧化能力，并且由于添加Cu，使Cu微細(xì)析出提高了鋼的高溫蠕變強(qiáng)度。

火SUS310J1TB（25Cr-20Ni-Nb-N、HR3C鋼管）利用Nb碳化物析出強(qiáng)化，高溫強(qiáng)度是傳統(tǒng)的SUS316HTB的1.4倍。除了用于火力發(fā)電鍋爐，還用于生物質(zhì)能燃料鍋爐和廢棄物發(fā)電鍋爐。

這些鍋爐傳熱管都是無縫鋼管。焊接鋼管傳熱管用材最高含Cr量是2.25%，（低合金鐵素體鋼），無縫鋼管用材是Cr量大于2.25%的高合金材料。原因是，傳熱管要求高的高溫強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性以及性能的可靠性，所以選用無縫鋼管。

    為了提高粗晶粒組織不銹鋼SUS321HTB（18Cr-10Ni-Ti）的抗水蒸氣氧化能力，開發(fā)出鍋爐傳熱管的噴丸硬化處理技術(shù)。18Cr奧氏體不銹鋼內(nèi)表面經(jīng)噴丸硬化處理，高溫下Cr容易擴(kuò)散，在鋼管內(nèi)表面生成致密的Cr氧化物皮膜，防止了水蒸氣的氧化。這種技術(shù)已經(jīng)在世界是普遍采用。

     5、鍋爐配管不使用不銹鋼鋼管

    輸送高溫高壓蒸汽的配管是外徑450～850mm、最大壁厚為130mm的大口徑厚壁鋼管。奧氏體不銹鋼鋼管雖然具有良好的高溫強(qiáng)度和耐蝕性，但熱膨脹大（約為鐵素體鋼的3倍）、熱疲勞特性差，不適宜用做大口徑厚壁鍋爐配管。日本國(guó)內(nèi)鍋爐配管使用的是添加9～11%Cr的鐵素體鋼管（火STPA28等）。日本國(guó)外，上世紀(jì)50年代美國(guó)將奧氏體不銹鋼鋼管（316系16Cr-12Ni-Mo）用于主蒸汽配管，但由于熱疲勞產(chǎn)生故障，被取代。目前日本正在以官民結(jié)合項(xiàng)目的形式對(duì)700℃級(jí)蒸汽鍋爐配管用的新型Ni基合金進(jìn)行研究開發(fā)。

     6、小結(jié)

    以上對(duì)鍋爐用不銹鋼無縫鋼管（傳熱管和配管）做了簡(jiǎn)要介紹。日本在上世紀(jì)90年代率先在世界上實(shí)現(xiàn)了超超臨界鍋爐（蒸汽溫度為世界最高溫度600℃級(jí)）的實(shí)用化。日本開發(fā)的不銹鋼鋼管和鋼管制造獨(dú)有技術(shù)為世界火力發(fā)電鍋爐的高效率化和環(huán)境保護(hù)做出了貢獻(xiàn)。在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程中，對(duì)電力的需求不斷增長(zhǎng)，能源多樣化和環(huán)境保護(hù)是不可回避的問題。日本將在鍋爐用不銹鋼鋼管新材料、新技術(shù)開發(fā)中做出新的貢獻(xiàn)。