锅炉用钢管及钢材料安全

　　锅炉用钢的选择、制造、采购、验收等环节是锅炉制造质量保证体系的重要组成部分，也是安全生产的重要保证。
　　1.锅炉钢板标准锅炉钢板是锅炉制造中非常关键的材料之一，主要是指用来制造锅炉中的锅壳、锅筒、集箱端盖、支吊架等重要部件用的热轧专用碳素钢和低合金耐热钢中厚钢板材料。锅炉钢板常常处于中、高温和高压状态下工作，除承受较高温度和压力外，还受到冲击，疲劳载荷及水和气的腐蚀，工作条件较差。如果锅炉在使用过程中发生破坏性事故，将会造成严重的损失。因此锅炉钢板必须具有良好的物理性能、力学性能和可加工性，并在材料标准的技术条款中给予严格的规定，以满足其使用中的安全。
　　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。在GB713-1997《锅炉用钢板》标准中明确规定应采用炉外精炼方法冶炼锅炉用钢。
　　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ASME SA-515/SA-515M《中高温压力容器用碳钢板》、SA-299/SA-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ASME SA-387/SA387-M《压力容器用铬-钼合金钢板》中的Gr22、Gr91和ASME SA-1017/SA1017-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。
　　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。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℃。而目前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，预计标准修订过程中将考虑把ASME标准中那些可以使用在600℃及以上的材料SA-387Gr22/22L、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。
　　GB713-1997《锅炉用钢板》标准规定：对厚度大于20mm的钢板可进行高温拉伸试验，试验温度从200℃～450℃与高温规定残余伸长应力的最小值也有一定的要求，针对产品质量迈出了更高的一步。
　　2．锅炉钢管标准钢管标准在一定程度上发挥了技术导向作用，引导了钢管制造业资金流动方向和市场取向，使其技术和产品较好地满足了我国经济和产业结构调整目标的实现。我国制定的大部分钢管标准通常是规定了产品品种、规格技术要求、质量性能指标、试验检验方法、判定规则等内容，是产品合格与否的依据，是产品能否获得市场准入的关键。
　　我国的钢管标准体系分基础标准：一是GB/T2102标准，该标准规定了包括无缝钢管、焊接钢管的验收、包装、标志和质量证明书的内容；二是GB/T 17395标准，该标准规定了无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差等内容、适用于各个与钢管有关的各个领域的一般规定，具有普遍的实际应用意义。钢管标准体系还分为：无缝钢管、焊接钢管及特殊形状、特殊工艺制造的钢管主要产品制造方法、技术质量指标要求等标准，对指导组织钢管生产、加工、利用具有一定的指导意义。另外与产品标准质量关联的标准有：反映钢管产品制造和质量性能相关的试验方法的各种测试方法标准，其中力学性能测定有：金属管拉伸、高温拉伸、管环拉伸、冲击等4项，包括GB/T228、GB/T229、GB/T4338、GB/T17104标准；工艺性能试验有：金属管液压试验、扩口试验方法、弯曲试验方法、卷边试验方法、压扁试验方法等5项，包括GB/T241、GB/T242、GB/T244、GB/T245、GB/T246标准；无损探伤检测有：钢管超声波探伤检验方法、涡流探伤检验方法、漏磁探伤检验方法以及用于确认焊接水压密实性的超声波探伤检验方法等4项，包括GB/T5777、GB/T7735、GB/T12606、GB/T18256标准。
　　我国锅炉压力容器钢管标准近年正在陆续修订。GB5310高压锅炉管标准已于95年修订完成。 95年新版和85年旧版相比，删除用户很少使用或钢厂并未真正组织批量生产过的钢种，而增加了20MnG（SA-210 A1），25MnG（SA-210C），20MoG（SA-209T1a），12CrMoG（SA-213 T2），12Cr2MoG（SA-213T22），10Cr9Mo1VNb（SA-213T91）等6种新的碳钢管和铁素体管，还有1Cr18Ni9（SA-213 TP304H），1Cr19Ni11Nb（SA-213 TP347H）两种奥氏体钢管子。这8种钢管材料原本都是引进技术考核机组上原设计所用的ASME材料。GB5310-95代表了我国材料标准与国际接轨的方向。
　　在GB5310-95标准中还强制要求对成品钢管进行超声波和涡流两种无损探伤检验方法，从而保证钢管质量达到设计要求。
　　3．不锈钢管标准火电机组三大主机之一的锅炉中的过热器与再热器部件，是承受工作环境最为恶劣的受热部件，面临高温高压水蒸汽氧化、高温烟气中煤粉颗粒的腐蚀，所以也是对材料要求最高的部件。在选用材料上，既要考虑材料的高温性能，又要考虑材料的工艺性和综合经济性。
　　过热器与再热器所用的管子材料，其蠕变强度必须足够高，在其运行的压力与温度范围内，有充足的安全裕度，同时还要考虑管子对蒸气侧和烟气侧的抗氧化与抗腐蚀的要求。当锅炉内热交换管的金属温度在620℃以上时，一般选用奥氏体不锈钢管。奥氏体不锈钢管主要应用在过热器/再热器管的出口段。在这一管段，除了蠕变强度外，抗蒸汽氧化和烟气腐蚀成为重要考虑的因素。
　　目前有关锅炉用的奥氏体不锈钢管的标准主要有两个，即GB5310-96《高压锅炉无缝钢管》和GB/T13296-91《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》。
　　GB5310-95《高压锅炉无缝钢管》中列入了两个奥氏体不锈钢管牌号，它们是1Cr18Ni9和1Cr18Ni11Nb，相当于美国ASMESA213中的TP304和TP347级别。TP304容易被敏化的缺点，已经逐渐被锅炉行业排除出主力钢种之列。在SA213标准中，有TP347、TP347H和TP347HFG等多个级别，它们使用的条件不一样，而GB5310-96《高压锅炉无缝钢管》没有给出具体的说明，因此，2004年对GB/T13296《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》的内容修订中纳入了GB5310-95中不锈钢钢种和牌号，并规定了高温性能等要求，使其名称和内容上均成为锅炉用奥氏体不锈钢管的专用标准，使产品质量也达到锅炉行业的要求。
　　四．检验标准与安全一般来说，工程上常用的结构钢均会产生冷脆断裂现象，即当环境温度低于某一温度TK时，材料将转变为脆性状态，这种现象称为冷脆。
　　由于冷脆而造成的船舶、桥梁、化工储罐、锅炉、储水装置等大型结构的脆性断裂事故，曾在世界各国多次发生，造成了巨大的损失。尤其是今天，愈来愈多的人们感觉到了金属材料的冷脆性对机械构件影响的重要性，例如有些电厂用户特别强调用于锅炉汽包等部件上的特厚锅炉钢板的冷脆转变温度问题。因此认识钢的冷脆断裂原因和影响冷脆转变的因素，掌握冷脆转变温度的评定方法和正确理解其含义，具有非常大的意义。
　　1.     影响材料冷脆转变的因素促使材料冷脆转变和脆化的主要因素是温度，随着温度的降低，材料的脆断倾向增加。
　　其次，材料尺寸增大，韧性下降，冷脆转变温度提高。这是因为材料的尺寸愈大，内部出现缺陷的几率愈大，内部裂纹等缺陷的前缘三向拉应力状态加剧，促使材料发生脆性断裂的倾向加大。对钢板来说，板厚的增加容易出现平面应变状态，使脆断抗力下降而发生脆性断裂。
　　锅炉中的汽包部件，采用特厚钢板加工制造。特厚钢板相对于相同材质的普通中、薄板来说，更容易产生脆性断裂倾向。一旦发生上述情况，势必影响到汽包的运输、安装、检修、水压等。例如安装或检修后水压试验的用水温度，规定应不低于大气的露点温度，并应高于所用钢种的脆性转变温度。这些问题使得现在有许多电厂用户要求锅炉制造商提供汽包用特厚钢板的冷脆转变温度。
　　另外，还要考虑材料缺陷的影响，当材料内部存在裂纹等缺陷时，缺陷处的裂纹愈尖锐，应力集中愈严重，冷脆转变温度也愈高。在实验室中是采用缺口试样来模拟材料的缺陷，缺口的作用就是保证在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近不大的体积范围内，并保证在缺口处发生破断。
　　2．冷脆转变的评定材料在温度变化时的冷脆转变趋势，可以通过测定其冷脆转变温度来进行评定。工程上常用的结构钢均会产生冷脆断裂现象，在特定的使用条件下，要求选择的材料必须具有较高的低温韧性和较低的冷脆转变温度。因此测定材料的冷脆转变温度非常重要。
　　实验室中有许多测定材料冷脆转变温度的方法。我国有一些相关的国家标准规定，国际上例如美国ASTM标准等，也有相关的规定。表2所示是常用的一些冷脆转变温度测定的试验方法，其中应用比较广泛的有冲击试验断口形貌法和落锤试验法等。
　　表2  常用测定材料冷脆转变温度的试验方法试验方法 标记 试验标准冲击试验 能量准则法 ETTn 金属夏比缺口冲击试验方法金属夏比冲击断口测定法 GB/T229 GB/T12778断口形貌法 FATTn膨胀法 LETT落锤试验 落锤试验法 NDT 铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法 GB/T6803 ASTM E208落锤撕裂试验 SA% 铁素体钢落锤撕裂试验方法 GB/T8363
　　从表2可以看出：GB/T229《金属夏比缺口冲击试验方法》、GB/T12778《金属夏比冲击断口测定法》、GB/T6803《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》等标准均采用不同试验方法测定材料冷脆转变温度。实践证明冷脆转变温度的高低，往往反映出常规检测手段所检测不出的内在质量问题。因为冷脆转变温度随材料的化学成分、微量元素、冶炼工艺、锻造工艺、热处理工艺、金相组织等各种因素的变化而变化。任何一个环节上的失误都会导致冷脆转变温度的明显变化。锅炉钢板冷脆转变温度的高低是随材料的化学成分、微量元素、冶炼、锻造、热处理、金相组织等各种因素的变化而变化的，它是一个帮助分析、判断材料的工艺和质量水平的有效方法。另外，当锅炉运行一段时间后，通过材料的冷脆转变温度的变化情况，还可以帮助预测锅炉的运行寿命。因此在GB713当中，应将落锤试验或系列冲击试验，以及铬钼钢的硬度试验等作为协议条款给出，方便用户在不同的使用条件下进行选择。
　　评定材料冷脆转变温度的许多方法中，有些方法比较容易实现，过程也并不复杂（如冲击试验的断口形貌法FATTn等）。如果我们能够熟练掌握材料的冷脆转变温度的评定方法，正确理解它们的含义，一方面可以使我们更加全面地掌握所使用材料的性能，另一方面又可以满足用户的特殊要求，同时还可以提升我们的产品质量与技术水平。
　　五、结束语二十一世纪初期，世界发电行业在发展进程中所面临的几个技术热点，即：①大型燃煤蒸汽轮机电站将普遍采用超临界技术；②燃用天然气或液体燃料的“燃气—蒸汽”联合循环发电技术将被广泛应用；③燃煤的“燃气-蒸汽”联合循环发电技术趋于成熟，并在一定范围内获得商业应用；④某些新能源和再生能源发电技术走向商业化；⑤独立发电站（IPP）的兴起和扩大使用。这些技术进步将改变世界发电行业的格局。“高效、洁净、经济、可靠、安全”的方针将得到更全面的体现。
　　锅炉压力容器标准的技术内容综合体现了锅炉压力容器行业的技术水平和管理水平，不仅影响产品质量及其安全性，而且对产品的经济性和市场竞争力也有重要影响。
　　我国的锅炉压力容器标准在技术内容上既参照了国外先进国家标准的相应要求，也考虑了国内锅炉压力容器行业各生产环节的现状，基本上能够满足全行业的需要，并根据标准所提出的相关技术要求，监督和控制锅炉压力容器产品的设计、制造和检验等各个环节，以保障其产品质量和生产及使用安全。因此，锅炉压力容器标准与安全监察行政管理部门颁布的安全监察法规应同步实施，二者相辅相成，构成我国完整的锅炉压力容器产品质量标准体系和锅炉压力容器安全监察法规体系，为我国的锅炉压力容器产品走向国际市场奠定基础！