本研究報道了歐洲研發的ASTM A213 T115鋼（10.5Cr-0.5Mo-V-Nb）抗蒸汽氧化鋼的化學成分、力學性能、持久強度、許用應力、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T115鋼用于制造鍋爐的過熱器、再熱器和管道。T115鋼抗蒸汽氧化性能優于T91，許用應力與T91在同一水平，焊接性能優良，可以提高馬氏體鋼制造過熱器、再熱器和管道的金屬設計溫度，減少鍋爐過熱器和再熱器的奧氏體鋼使用量，提高過熱器和再熱器傳熱效率。

    1 前言

    泰納瑞斯公司與美國橡樹嶺國家實驗室和GE公司等單位合作，開發出T115抗蒸汽氧化鋼鋼管。ASME Code Case 2890批準T115鋼用于制造鍋爐的過熱器、再熱器和管道。由于T115鋼抗蒸汽氧化性能優于T91，許用應力與T91在同一水平，焊接性能優良，所以可以提高馬氏體鋼制造過熱器、再熱器和管道的金屬設計溫度，減少鍋爐過熱器和再熱器的奧氏體鋼使用量。

    2 T115鋼試驗材料及其化學成分

    泰納瑞斯公司用30噸和100噸工業爐冶煉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鋼化學成分如表2所示。

    3 T115鋼金相組織

    泰納瑞斯公司測試的T115鋼轉變溫度如表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。美國電力研究院提出：對于9-12%Cr鋼，當鋼的CNB≤10時，鋼中沒有δ鐵素體；當10<鋼的CNB≤12時，鋼中可能沒有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程。T115鋼為回火馬氏體組織，不希望有δ鐵素體，當δ鐵素體不超過3%時，持久強度滿足要求。

    4 T115鋼力學性能

    采用下列回火參數，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，回火時間t的單位是h。T115鋼回火參數與硬度關系如圖2所示。

    泰納瑞斯公司測試的T115鋼拉伸性能如表4所示。泰納瑞斯公司進行了T115鋼V型缺口沖擊試驗。泰納瑞斯公司進行的正火+回火及時效處理的T115鋼拉伸試驗和沖擊試驗結果如表5-表8所示。從表5-表8看出：經過675℃的1萬小時時效后，T115鋼管子性能仍然滿足標準要求。泰納瑞斯公司進行的T115鋼單軸拉伸持久試驗結果如圖3所示。

    5 T115鋼抗蒸汽氧化性能

    美國橡樹嶺國家實驗室測試了爐號為478320和485490的T115鋼及T91抗蒸汽氧化性能。用純水（O<10ppb）產生蒸汽在試樣周圍流動，最長試驗時間是11000h，每500h停爐，取出試樣，測試質量損失。11000h后，蒸汽氧化皮內層是致密的，內層氧化皮沒有脫落，蒸汽氧化皮外層是多孔的。試驗結果如圖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

    泰納瑞斯公司進行了鎢極氣體保護焊（GTAW）、手工電弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）焊接試驗。T115鋼的焊接分類號是15E-1，同種鋼焊接選用T91/P91常用焊材。當焊接接頭需要高的抗蒸汽氧化/抗腐蝕性能時，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。上述焊接試驗的接頭性能全部滿足標準要求。

    泰納瑞斯公司進行了T115鋼小口徑管的焊接工藝評定試驗和大口徑管的焊接工藝評定試驗，試驗結果滿足ASME要求。彎管試驗結果表明：T115鋼冷熱成型工藝與T91冷熱成型工藝相同。T115鋼焊接工藝試驗參數和試驗結果如表9和表10所示。T115鋼小口徑管的焊接工藝評定試驗和大口徑管的焊接工藝評定試驗結果如表11和表12所示。

    7 分析

    ASME安排專家對泰納瑞斯公司提供的T115鋼試驗數據進行計算，給出了T115鋼許用應力，計算結果如表13所示。ASME Code Case 2890取用去除持久斷裂時間小于1000h的試驗應力點的試驗數據的計算結果為T115鋼許用應力。

    去除斷裂時間小于1000h的試驗數據后，T115鋼持久試驗數據三次回歸方程：

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

    T：溫度，℃；t：時間，；σ：應力，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，管子內部蒸汽溫度620℃。

    對于T91/P91鋼管，當蒸汽氧化皮厚度≤250μm，蒸汽氧化皮不易剝落；當蒸汽氧化皮厚度>400μm，蒸汽氧化皮很可能剝落；當管子內壁的蒸汽氧化皮厚度在250-400μm之間，蒸汽氧化皮可能會剝落，取決于管子的溫度變化速度。美國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于T91，所以T115鋼過熱器和再熱器的管子金屬設計溫度不超過607℃（管子出口蒸汽溫度≤587℃），可以防止T115鋼過熱器和再熱器內壁的蒸汽氧化皮剝落堵塞彎頭導致過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、內壁噴丸S304H制造超超臨界二次再熱機組鍋爐的二次再熱高溫再熱器進口段，可以節省成本50%。

    8 結論

    通過以上試驗和與T91鋼的對比試驗，得到了以下結論：1）T115鋼抗蒸汽氧化性能優于T91。2）T115鋼許用應力與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熱器、再熱器和管道。

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責任編輯：王元

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