電站鍋爐主蒸汽管道常用材料對比研究

姜波

摘? 要：20G、15CrMoG、12Cr1MoVG、P92為電站鍋爐主蒸汽管道的常用材料。通過對比研究表明：四種鋼材中，20G的適用最高溫度最小，同等條件下力學(xué)性能最差，但其焊接性最好;12Cr1MoVG與15CrMoG焊接性均較差，同等條件下前者的力學(xué)性能與熱強性優(yōu)于后者;P92的適用最高溫度最大，同等條件下具有最佳的力學(xué)性能、抗氧化性、耐高溫腐蝕性、蠕變性能，但其焊接性最差。四種鋼材在長期高溫下使用，材料力學(xué)性能會隨著組織球化或老化級別增加而降低。

關(guān)鍵詞：主蒸汽管道;20G;15CrMoG;12Cr1MoVG;P92

中圖分類號：TM621.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）23-0078-02

Abstract： 20G， 15CrMoG， 12Cr1MoVG and P92 are commonly used materials for main steam pipes of utility boilers. The comparative study shows that among the four kinds of steel， 20G has the lowest applicable maximum temperature of 450 ℃， and the mechanical properties are the worst under the same conditions， but its weldability is the best. The weldability of 12Cr1MoVG and 15CrMoG is poor， and the mechanical properties and thermal strength of the former are better than those of the latter under the same conditions. The highest applicable temperature of P92 is 621 ℃. Under the same conditions， P92 has the best mechanical properties， oxidation resistance， high temperature corrosion resistance and creep properties， but its weldability is the worst. When four kinds of steel are used at high temperature for a long time， the mechanical properties of the materials will decrease with the increase of microstructure spheroidization or aging grade.

Keywords： main steam pipe; 20G; 15CrMoG; 12Cr1MoVG; P92

1 概述

近年來，我國國內(nèi)電站鍋爐主蒸汽管道爆炸事件時有發(fā)生，對人身和財產(chǎn)安全造成的損失不可估量，作為電站鍋爐運行過程中主要的承壓部件，保證主蒸汽管道的安全工作顯得尤為重要。在實際工況條件下，既要避免優(yōu)材低用，更要確保材料滿足使用溫度和壓力要求，因此，需要綜合經(jīng)濟和安全等多方面因素對主蒸汽管道的材質(zhì)進(jìn)行選用。本文對電站鍋爐主蒸汽管道常用的幾種鋼材進(jìn)行介紹和對比，以期為今后相關(guān)方面的工程實踐提供借鑒作用。

2 電站鍋爐主蒸汽管道常用材料

2.1 20G

20G是20號鋼的高壓鍋爐用無縫鋼管，是含碳量為0.2%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，主要適用于計算壁溫不大于450℃的中壓、次高壓電站鍋爐主蒸汽管道。其國標(biāo)為GB5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》，由于考慮到于在高溫條件下使用壽命存在直接的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)對20G的交貨熱處理做出了明確的規(guī)定，需進(jìn)行880℃～940℃的正火。20G鋼具體的化學(xué)成分如表1所示。

化學(xué)成分直接影響鋼材的焊接性。一般而言，碳含量是影響鋼材焊接性的主要因素，碳含量越多，鋼材的焊接性越差;其次，合金元素的含量對于鋼材的焊接性也產(chǎn)生一定的影響，合金元素越多，鋼材的焊接性越差[1]，此外，根據(jù)國際焊接協(xié)會碳當(dāng)量公式計算CE為0.23～0.34。因此， 20G鋼具有優(yōu)良的焊接性，其焊接接頭不易產(chǎn)生夾渣，氣孔、裂紋等缺陷。該種鋼材的金相顯微組織為鐵素體加珠光體，長期在高溫高壓環(huán)境下工作，組織中的珠光體會發(fā)生球化現(xiàn)象。依據(jù)DL/T674-1999《火電廠用20鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)》，按照珠光體球化組織特征可分為未球化、傾向性球化、輕度球化、中度球化和完全球化，分別對應(yīng)的球化級別為1級至5級，球化級別越高，材質(zhì)的力學(xué)性能總體呈現(xiàn)逐漸降低的態(tài)勢。

2.2 15CrMoG

15CrMoG是15CrMo鋼的無縫鋼管，是一種低合金結(jié)構(gòu)鋼，主要適用于計算壁溫不大于550℃的次高壓、高壓電站鍋爐主蒸汽管道。該鋼種的國標(biāo)為GB5310-2017。標(biāo)準(zhǔn)中對15CrMoG鋼的交貨熱處理狀態(tài)做了詳細(xì)的規(guī)定。15CrMoG鋼具體的化學(xué)成分如表2所示。

由于合金元素的加入，且計算該鋼材的碳當(dāng)量CE為0.43～0.63，可知15CrMoG鋼的焊接性要明顯差于20G鋼。焊接接頭較易出現(xiàn)冷裂紋、再熱裂紋和回火脆性等問題[2]。一般來說，相同條件下15CrMoG的強度、硬度等力學(xué)性能均優(yōu)于20G，此外，Cr元素的加入提高了材料的抗氧化性能，Mo元素的加入提高了材料的熱強性[3]，因此，15CrMoG鋼在滿足電站鍋爐主蒸汽管道高溫條件下使用的力學(xué)性能要求的基礎(chǔ)上，同時具有足夠的抗氧化性和熱強性。作為一種珠光體型耐熱鋼，15CrMoG的金相顯微組織為鐵素體加珠光體，長期處于高溫條件下使用會產(chǎn)生珠光體的球化。按照DL/T787-2001《火力發(fā)電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)》，根據(jù)珠光體球化組織特征可將球化級別分為1級至5級，隨著球化級別的增大，15CrMoG鋼的力學(xué)性能和熱強性能隨之降低。

2.3 12Cr1MoVG

12Cr1MoVG是12Cr1MoV鋼的無縫鋼管，是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，主要適用于計算壁溫不大于565℃的高壓、超高壓、亞臨界電站鍋爐主蒸汽管道。該種鋼的國標(biāo)與20G、15CrMoG的相同，為GB5310-2017。標(biāo)準(zhǔn)中對于12Cr1MoVG的交貨熱處理狀態(tài)同樣做出了詳細(xì)的要求。12Cr1MoVG鋼具體的化學(xué)成分如表3所示。

由于合金元素的加入，進(jìn)一步計算該種鋼材的碳當(dāng)量CE為0.41～0.64。因此，12Cr1MoVG具有與15CrMoG類似較差的焊接性。焊接熱影響區(qū)很容易產(chǎn)生冷裂紋[4]。一般來說，在相同條件下，12Cr1MoVG的力學(xué)性能要優(yōu)于15CrMoG。Cr元素和Mo元素的加入，增強了鋼材的抗氧化性和高溫強度，此外，少量V元素的加入，進(jìn)一步增強了12Cr1MoVG的熱強性[4]。12Cr1MoVG的金相顯微組織為鐵素體加珠光體，或者為鐵素體加貝氏體。與20G和15CrMoG相同，在長期高溫環(huán)境下工作，12Cr1MoVG組織將發(fā)生球化。根據(jù)DL/T773-2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)》，按照球化組織特征，球化級別分為1級至5級，隨著球化級別的增加，材料的力學(xué)性能隨之降低。

2.4 P92

P92是在P91基礎(chǔ)上發(fā)展而來的鍋爐用高合金結(jié)構(gòu)鋼，主要適用于使用溫度不大于621℃的超臨界、超超臨界電站鍋爐主蒸汽管道。該種鋼的ASTM標(biāo)準(zhǔn)為A335/A335M。標(biāo)準(zhǔn)對P92鋼供貨熱處理狀態(tài)做了規(guī)定：正火加回火，其中正火溫度為1040℃～1080℃，回火溫度為730℃～800℃。P92鋼的化學(xué)成分如表4所示。

由于該種鋼材的合金含量遠(yuǎn)高于12Cr1MoVG，且通過計算得到其碳當(dāng)量CE為1.91～2.3，因此，P92的焊接性遠(yuǎn)差于12Cr1MoVG，在焊接時需保證較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝。一般來說，在相同條件下，P92的力學(xué)性能要明顯優(yōu)于12Cr1MoVG，此外，P92的抗氧化性、耐高溫腐蝕性、蠕變性能均得到了明顯的提升[5]。P92的金相顯微組織為回火馬氏體，根據(jù)DL/T884-2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》，按照老化組織特征可將老化程度分為未老化、輕度老化、中度老化、完全老化和嚴(yán)重老化，分別對應(yīng)的老化級別為1級至5級，老化級別越高，材質(zhì)的力學(xué)性能總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

3 結(jié)束語

電站鍋爐主蒸汽管道常用材料20G、15CrMoG、12Cr1MoVG、P92，四種材料的性能存在一定的差異性。在工況使用時，應(yīng)根據(jù)實際情況，從安全和經(jīng)濟等方面合理選用材料。此外，在長期高溫條件下使用的主蒸汽管道，還應(yīng)對其材料的顯微組織球化或者老化程度進(jìn)行及時準(zhǔn)確的評估，以確保安全運行。

參考文獻(xiàn)：

[1]凌愛林.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]龔志翔，張建平，孔曉眉，等.15CrMoG鋼？椎450mm管坯連鑄二冷工藝的優(yōu)化[J].特殊鋼，2004，25（6）：10-12.

[3]王曉梁，仇彬.15CrMoG耐熱鋼焊接接頭工藝研究[J].裝備制造技術(shù)，2016（04）：259-260.

[4]路書永，蔣冬冬.12Cr1MoVG耐熱鋼管道焊接工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2012（22）：47-50.

[5]傅育文，王炯祥，盧征然，等.SA-335P92鋼的焊接[J].動力工程，2008，28（5）：807-811.