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高壓鍋爐用碳鋼SA210A-1、SA-210C、20G比較分析 摘要： 調研發現，目前國內生產的SA210A-1在實際的供料中沒有單獨坯料，通常會以SA210C坯或20G坯代之。為了研究這種替代方式能否滿足SA210A-1材料標準和產品設計要求，通過對SA210M 標準中SA210A-1、SA-210C及GB 5310標準中的20G成分和性能的比較分析，提出在SA210A-1小口徑管采購要求中，應增加Mn下限規定的優化意見。 前 言 當前參數等級在亞臨界及以上的鍋爐機組受壓件用碳鋼材料主要有3種：20G、SA210A-1、SA-210C，基本用于低溫過熱器、低溫再熱器、水冷壁和省煤器等部件中的受熱面管，管子金屬設計溫度通常在350℃~425℃ 。 由于碳鋼的強化元素是C和Mn，而鍋爐制造廠從焊接性能考慮通常會嚴格限制C含量。按ASME中的描述：在規定碳含量以下含碳量每降低0.01%，則允許在規定的錳含量之上各增加0.06%的含錳量，但不得超過1.35%。說明1個碳含量下降帶來的強度損失一般需6個錳含量進行彌補，但從當前鋼管廠的實際供料中卻發現一個有意思的現象：即國內SA210A-1似乎沒有成分鮮明的單獨坯料，要么以SA-210C坯代之，要么以20G坯代之，這種現象可在表1隨機抽取的部分批次SA210A-1、SA-210C、20G 的成分和性能數據比較中得到直觀印象，差異更明顯體現在Mn含量上。同樣是SA210A-1，表1中的序號6、7、8成分及性能和20G相當，序號9成分及性能和SA-210C相當。那么這種替代方式能否保證SA210A-1滿足材料標準和產品設計要求呢? 以下遵循標準的脈絡并結合產品的使用條件進行分析。
2017年SA-213T91合金管與SA-335P91合金管的區別 SA-213T91化學成份|SA-213T91力學性能|SA-213T91價格 T91合金管， T91合金管是美國國立像樹嶺實驗室和美國燃燒工程公司冶金材料實驗室合作研制的新型馬氏體耐熱鋼。它是在9Cr1MoV鋼的基礎上降低含碳量，嚴格限制硫、磷的含量，添加少量的釩、鈮元素進行合金化。根據ASTM213/A213M-85C, SA-213T91合金管的化學成份見表1。 與 SA-213T91合金管對應的德國鋼號為X10CrMoVNNb91，日本鋼號為HCM95，法國則為TUZ10CDVNb0901。 SA-213T91合金管中各合金元素分別起到固溶強化、彌散強化和提高鋼的抗氧化性、抗腐蝕性能，具體分析如下。 ①碳是鋼中固溶強化作用明顯的元素，隨含碳量的增加，鋼的短時強度上升，塑性、韌性下降，對SA-213T91這類馬氏體鋼而言，含碳量的上升會加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低鋼的焊接性、耐蝕性和抗氧化性，故耐熱鋼一般都希望降低含碳量，但含碳太低，鋼的強度將降低。 SA-213T91合金管與12Cr1MoV鋼相比，含碳量降低20%，這是綜合考慮上述因素的影響而決定的。 ②SA-213T91合金管中含微量氮，氮的作用體現在兩個方面。一方面起固溶強化作用，常溫下氮在鋼中的溶解度很小， SA-213T91合金管焊后熱影響區在焊接加熱和焊后熱處理過程中，將先后出現VN的固溶和析出過程：焊接加熱時熱影響區內已形成的奧氏體組織由于VN的溶入，氮含量增加，此后常溫組織中的過飽和程度提高，在隨后的焊后熱處理中有細小的VN析出，這增加了組織穩定性，提高了熱影響區的持久強度值。另一方面， SA-213T91合金管中還含有少量A1，氮能與其形成A1N，A1N在1 100℃以上才大量溶入基體，在較低溫度下又重新析出，能起到較好的彌散強化效果。 ③加入鉻主要是提高耐熱鋼的抗氧化性、抗腐蝕能力，含鉻量小于5%時，600℃開始劇烈氧化，而含鉻量達5%時就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV鋼在580℃以下具有良好的抗氧化性，腐蝕深度為0.05 mm/a，600℃時性能開始變差，腐蝕深度為0.13 mm/a。SA-213T91含鉻量提高到9%左右，使用溫度能達到650℃，主要措施就是使基體中溶有更多的鉻。 ④釩與鈮都是強碳化物形成元素，加入后能與碳形成細小而穩定的合金碳化物，有很強的彌散強化效果。 ⑤加入鉬主要是為了提高鋼的熱強性，起到固溶強化的作用。 2.2 熱處理工藝 SA-213T91的終熱處理為正火＋高溫回火，正火溫度為1040℃，保溫時間不少于10 min，回火溫度為730～780℃，保溫時間不少于1h，終熱處理后的組織為回火馬氏體。 2.3 機械性能 SA-213T91合金管的常溫抗拉強度≥585 MPa，常溫屈服強度≥415 MPa，硬度≤250 HB，伸長率(50 mm標距的標準圓形試樣)≥20%，許用應力值〔σ]650℃=30 MPa。 2.4 焊接性能 按照國際焊接學會的碳當量公式算得SA-213T91的碳當量為 可見SA-213T91的焊接性較差。 3 SA-213T91焊接時存在的問題 3.1 熱影響區淬硬組織的產生 從圖1可以看出，SA-213T91的臨界冷卻速度低，奧氏體穩定性很大，冷卻時不易發生正常的珠光體轉變，從而冷卻到較低溫度時發生了馬氏體轉變。正由于此，SA-213T91的淬硬和冷裂傾向很大。 由于熱影響區的各種組織具有不同的密度、膨脹系數和不同的晶格形式，在加熱和冷卻過程中必然會伴有不同的體積膨脹和收縮；另一方面，由于焊接加熱具有不均勻和溫度高的特點，故而SA-213T91焊接接頭內部應力很大。 對于SA-213T91，奧氏體十分穩定，要冷卻到較低溫度(約400℃)才能變為馬氏體。粗大的馬氏體組織脆而硬，接頭又處在復雜應力狀態下。同時，焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區擴散，氫的存在促使了馬氏體脆化，其綜合作用的結果，很容易在淬硬區產生冷裂紋。 3.2 熱影響區晶粒長大 焊接熱循環對焊接頭熱影響區的晶粒長大有重大的影響，特別是緊鄰加熱溫度達到的熔合區。當冷卻速度較小時，在焊接熱影響區會出現粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織，使鋼材的塑性明顯下降；冷卻速度大時，由于產生了粗大的馬氏體組織，也會使焊接接頭塑性下降。 3.3 軟化層的產生 SA-213T91合金管在調質狀態下焊接，熱影響區產生軟化層不可避免，而且比珠光體耐熱鋼的軟化更為嚴重。當用加熱和冷卻速度均較緩慢的規范時，軟化程度較大。另外，軟化層的寬度和它離熔合線的距離，不僅與焊接的加熱條件及特點有關，還與預熱、焊后熱處理等有關。哈爾濱鍋爐廠曾做過試驗得出SA-213T91焊接熱影響區硬度曲線，見圖2。 3.4 應力腐蝕裂紋 SA-213T91合金管在焊后熱處理之前，冷卻溫度一般不低于100℃，如果在室溫下冷卻，而環境又比較潮濕時，容易出現應力腐蝕裂紋。德國規定：在焊后熱處理之前必須冷卻至150℃以下。在工件較厚、有角焊縫存在及幾何尺寸不好的情況下，冷卻溫度不低于100℃。如果在室溫下冷卻，嚴禁潮濕，否則容易產生應力腐蝕裂紋。 4 SA-213T91合金管的焊接工藝 4.1 預熱溫度的選擇 SA-213T91合金管的Ms點約為400℃，預熱溫度一般選在200～250℃。預熱溫度不能太高，否則接頭冷卻速度降低，可能在焊接接頭中引起晶界處碳化物析出和形成鐵素體組織，從而大大降低該鋼材焊接接頭在室溫時的沖擊韌性。預熱溫度的下限從哈爾濱鍋爐廠所做過的插銷試驗可得到很好的說明。 插銷試棒采用SA-213T91合金管，直徑8 mm,深0.5 mm，底板采用13CrMo鋼，厚20 mm，試驗在不預熱、預熱150℃、預熱200℃、預熱250℃條件下進行。焊條采用J707。焊接電流為165～170 A，電弧電壓為21～267 V，試驗結果如表2所示。 結論 ① SA-213T91合金管靠合金化原理，尤其是添加了少量鈮、釩等微量元素，高溫強度、抗氧化性較12 Cr1MoV鋼有較大的提高，但其焊接性能較差。 ②插銷試驗表明，SA-213T91合金管有較大冷裂傾向，選取預熱200～250 ℃，層間溫度200～300 ℃，可有效防止冷裂紋產生。 ③SA-213T91焊后熱處理前，必須冷卻至100～150 ℃，保溫1 h；回火溫度730～780 ℃，保溫時間不少于1 h。 ④以上焊接工藝已應用于200 MW、300MW 鍋爐制造生產實踐中，取得滿意效果，并獲得較大的經濟效益。 SA-335 P91合金管是用實心管坯經穿孔后軋制的。 1、生產制造方法 按生產方法不同可分為熱軋管、冷軋管、冷拔管、擠壓管等。
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