本研究報(bào)道了歐洲研發(fā)的ASTM A213 T115鋼（10.5Cr-0.5Mo-V-Nb）抗蒸汽氧化鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能、持久強(qiáng)度、許用應(yīng)力、抗蒸汽氧化性能、焊接材料、焊接工藝和焊后熱處理工藝；ASME Code Case 2890批準(zhǔn)T115鋼用于制造鍋爐的過(guò)熱器、再熱器和管道。T115鋼抗蒸汽氧化性能優(yōu)于T91，許用應(yīng)力與T91在同一水平，焊接性能優(yōu)良，可以提高馬氏體鋼制造過(guò)熱器、再熱器和管道的金屬設(shè)計(jì)溫度，減少鍋爐過(guò)熱器和再熱器的奧氏體鋼使用量，提高過(guò)熱器和再熱器傳熱效率。

    1 前言

    泰納瑞斯公司與美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和GE公司等單位合作，開(kāi)發(fā)出T115抗蒸汽氧化鋼鋼管。ASME Code Case 2890批準(zhǔn)T115鋼用于制造鍋爐的過(guò)熱器、再熱器和管道。由于T115鋼抗蒸汽氧化性能優(yōu)于T91，許用應(yīng)力與T91在同一水平，焊接性能優(yōu)良，所以可以提高馬氏體鋼制造過(guò)熱器、再熱器和管道的金屬設(shè)計(jì)溫度，減少鍋爐過(guò)熱器和再熱器的奧氏體鋼使用量。

    2 T115鋼試驗(yàn)材料及其化學(xué)成分

    泰納瑞斯公司用30噸和100噸工業(yè)爐冶煉T115鋼，熱軋成管子，T115鋼熱處理工藝如表1所示。正火和回火均在靜止空氣中冷卻。T115鋼化學(xué)成分如表2所示。

    3 T115鋼金相組織

    泰納瑞斯公司測(cè)試的T115鋼轉(zhuǎn)變溫度如表3所示，精確度為±5℃。

    T115鋼正火溫度是1050-1100℃，在出爐冷卻的900-482℃期間，管子中心部位的冷卻速率應(yīng)不低于5℃/ min。在靜止空氣中冷卻，可得到均勻的馬氏體。該鋼回火溫度是750-790℃，金相顯微組織如圖1所示。美國(guó)電力研究院提出：對(duì)于9-12%Cr鋼，當(dāng)鋼的CNB≤10時(shí)，鋼中沒(méi)有δ鐵素體；當(dāng)10<鋼的CNB≤12時(shí)，鋼中可能沒(méi)有δ鐵素體，也可能有δ鐵素體，是否有δ鐵素體取決于鋼的制造過(guò)程。T115鋼為回火馬氏體組織，不希望有δ鐵素體，當(dāng)δ鐵素體不超過(guò)3%時(shí)，持久強(qiáng)度滿足要求。

    4 T115鋼力學(xué)性能

    采用下列回火參數(shù)，T115鋼硬度為190-250HB：24.6 ≤ PHJ ≤ 25.4，PHJ=T（23.7+Log t）。

    回火溫度T的單位是K，回火時(shí)間t的單位是h。T115鋼回火參數(shù)與硬度關(guān)系如圖2所示。

    泰納瑞斯公司測(cè)試的T115鋼拉伸性能如表4所示。泰納瑞斯公司進(jìn)行了T115鋼V型缺口沖擊試驗(yàn)。泰納瑞斯公司進(jìn)行的正火+回火及時(shí)效處理的T115鋼拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表5-表8所示。從表5-表8看出：經(jīng)過(guò)675℃的1萬(wàn)小時(shí)時(shí)效后，T115鋼管子性能仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。泰納瑞斯公司進(jìn)行的T115鋼單軸拉伸持久試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

    5 T115鋼抗蒸汽氧化性能

    美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了爐號(hào)為478320和485490的T115鋼及T91抗蒸汽氧化性能。用純水（O<10ppb）產(chǎn)生蒸汽在試樣周?chē)鲃?dòng)，最長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間是11000h，每500h停爐，取出試樣，測(cè)試質(zhì)量損失。11000h后，蒸汽氧化皮內(nèi)層是致密的，內(nèi)層氧化皮沒(méi)有脫落，蒸汽氧化皮外層是多孔的。試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可以看出： T115鋼650℃蒸汽氧化速度與T91鋼600℃蒸汽氧化速度在同一水平。

    6 T115鋼焊接性能和彎管性能

    泰納瑞斯公司進(jìn)行了鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）、手工電弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）焊接試驗(yàn)。T115鋼的焊接分類(lèi)號(hào)是15E-1，同種鋼焊接選用T91/P91常用焊材。當(dāng)焊接接頭需要高的抗蒸汽氧化/抗腐蝕性能時(shí)，選用Ni 基焊材。T115鋼與奧氏體鋼焊接，選用Ni 基合金焊材，T115鋼與T22/P22焊接，選用T22/P22常用焊材。上述焊接試驗(yàn)的接頭性能全部滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

    泰納瑞斯公司進(jìn)行了T115鋼小口徑管的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)和大口徑管的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足ASME要求。彎管試驗(yàn)結(jié)果表明：T115鋼冷熱成型工藝與T91冷熱成型工藝相同。T115鋼焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果如表9和表10所示。T115鋼小口徑管的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)和大口徑管的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果如表11和表12所示。

    7 分析

    ASME安排專(zhuān)家對(duì)泰納瑞斯公司提供的T115鋼試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，給出了T115鋼許用應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如表13所示。ASME Code Case 2890取用去除持久斷裂時(shí)間小于1000h的試驗(yàn)應(yīng)力點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果為T(mén)115鋼許用應(yīng)力。

    去除斷裂時(shí)間小于1000h的試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，T115鋼持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)三次回歸方程：

    T×（logt+24.05544771）=26548.45637+4117.210353×logσ-2395.614036×（logσ）？ （1）

    T：溫度，℃；t：時(shí)間，；σ：應(yīng)力，MPa。

    2015年5月，電力公司把T115鋼小口徑管、大口徑管和管配件安裝到余熱鍋爐的過(guò)熱器和管道上，管子金屬溫度大于615℃。2015年6月，電力公司把T115鋼管子安裝在鼓泡式沸騰床鍋爐的管道上，管子內(nèi)部蒸汽溫度620℃。

    對(duì)于T91/P91鋼管，當(dāng)蒸汽氧化皮厚度≤250μm，蒸汽氧化皮不易剝落；當(dāng)蒸汽氧化皮厚度>400μm，蒸汽氧化皮很可能剝落；當(dāng)管子內(nèi)壁的蒸汽氧化皮厚度在250-400μm之間，蒸汽氧化皮可能會(huì)剝落，取決于管子的溫度變化速度。美國(guó)電力研究院提出的防止蒸汽氧化皮剝落的T91/P91使用的蒸汽溫度上限如表14所示。由于T115鋼抗蒸汽氧化性能優(yōu)于T91，所以T115鋼過(guò)熱器和再熱器的管子金屬設(shè)計(jì)溫度不超過(guò)607℃（管子出口蒸汽溫度≤587℃），可以防止T115鋼過(guò)熱器和再熱器內(nèi)壁的蒸汽氧化皮剝落堵塞彎頭導(dǎo)致過(guò)熱器和再熱器超溫爆管。

    從表15看出：可以使用Φ60mm×5mm、T115鋼代Φ60mm×4mm、內(nèi)壁噴丸S304H制造超超臨界二次再熱機(jī)組鍋爐的二次再熱高溫再熱器進(jìn)口段，可以節(jié)省成本50%。

    8 結(jié)論

    通過(guò)以上試驗(yàn)和與T91鋼的對(duì)比試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論：1）T115鋼抗蒸汽氧化性能優(yōu)于T91。2）T115鋼許用應(yīng)力與T91在同一水平。3）T115鋼焊接工藝性能和彎管工藝性能與T91在同一水平。4） T115鋼使用溫度高于T91，可以在比T91使用溫度高的溫度范圍代替奧氏體鋼制造過(guò)熱器、再熱器和管道。

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責(zé)任編輯：王元

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