能源產業用不銹鋼—鍋爐用不銹鋼無縫鋼管

1、前言

鍋爐用鋼管可分為兩種制造方法：無縫鋼管和電焊鋼管、兩種材質：鐵素體鋼和奧氏體不銹鋼、兩種用途：配管和傳熱管。將這些制造方法、材質和用途組合起來共計8種類別。但使用不銹鋼的只有奧氏體不銹鋼無縫鋼管傳熱管。在JIS標準中，不銹鋼的Cr含量在11%以上，牌號的表示方法是SUS+數字序號。

2、傳熱管和配管

    傳熱管又叫做熱交換管，作用是將鍋爐的燃燒熱量傳遞給熱交換管內流動的水。配管是輸送水和水蒸氣用的鋼管，不進行熱交換。傳熱管的日本標準是JIS G3463“鍋爐、熱交換器用不銹鋼鋼管”，配管的日本標準是JIS G3459“配管用不銹鋼鋼管”。在這兩個標準中都有通用不銹鋼SUS304（18C-8Ni奧氏體不銹鋼）。SUS304傳熱管和配管雖然是化學成分、熱處理、力學性能、尺寸相同，但分別屬于不同的標準。

3、鍋爐傳熱管不使用鐵素體不銹鋼

不銹鋼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼。鐵素體不銹鋼是體心立方晶格的金屬。是面心立方金屬，奧氏體不銹鋼中添加Cr和較多的Ni、Mn。鐵中含C的鋼在常溫下組織是鐵素體。為在常溫下獲得奧氏體，必須在鋼中添加10%以上的Cr、Ni。

鐵素體鋼的特點是，高溫下原子擴散速度快（約為奧氏體鋼的10倍）、導熱性好、熱膨脹率小。缺點是在高溫下，發生析出脆化、韌性差、強度低（尤其是高溫蠕變強度低）。蠕變是負荷作用下的金屬在高溫下隨著時間的延長發生變形、斷裂的現象。一般來說，鋼在400℃以上時會發生蠕變。

鍋爐用鋼管在最高蒸汽溫度約600℃、壓力約25MPa（約250個大氣壓）的條件下使用，對鋼管最重要的要求是具有在高溫高壓下使用30年以上的高溫強度（蠕變強度）。含11%以上Cr的鐵素體不銹鋼鋼管的高溫蠕變強度不及奧氏體不銹鋼。此外，由于鐵素體不銹鋼高溫下原子擴散速度快，產生σ相（50Fe-50Cr）使鋼的強度下降、脆性顯著。含有較多Ni、N、Mn的奧氏體不銹鋼可以抑制σ相的產生。鍋爐傳熱管要求具有良好的高溫組織穩定性和較高的高溫強度，所以不采用鐵素體不銹鋼。

4、鍋爐傳熱管用奧氏體不銹鋼

鍋爐傳熱管用奧氏體不銹鋼的標準體系如圖1。牌號前帶有“火”字的材料是基于“電氣事業法”的“火力技術基準解釋”認可的、近年來實用化的材料。雖然鍋爐傳熱管也可以使用一般的JIS標準中的不銹鋼鋼管，但由于對鍋爐鋼管有高溫高壓、長時間使用時可靠性的要求，因此使用經第三方專家審定認可的材料。這種材料的牌號前帶有“火”字，以區別于一般用途不銹鋼。

火SUS304J1HTB（18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N）是日本自主開發的細晶組織（晶粒度8級）奧氏體不銹鋼，具有良好的抗水蒸氣氧化能力，并且由于添加Cu，使Cu微細析出提高了鋼的高溫蠕變強度。

火SUS310J1TB（25Cr-20Ni-Nb-N、HR3C鋼管）利用Nb碳化物析出強化，高溫強度是傳統的SUS316HTB的1.4倍。除了用于火力發電鍋爐，還用于生物質能燃料鍋爐和廢棄物發電鍋爐。

這些鍋爐傳熱管都是無縫鋼管。焊接鋼管傳熱管用材最高含Cr量是2.25%，（低合金鐵素體鋼），無縫鋼管用材是Cr量大于2.25%的高合金材料。原因是，傳熱管要求高的高溫強度和組織穩定性以及性能的可靠性，所以選用無縫鋼管。

    為了提高粗晶粒組織不銹鋼SUS321HTB（18Cr-10Ni-Ti）的抗水蒸氣氧化能力，開發出鍋爐傳熱管的噴丸硬化處理技術。18Cr奧氏體不銹鋼內表面經噴丸硬化處理，高溫下Cr容易擴散，在鋼管內表面生成致密的Cr氧化物皮膜，防止了水蒸氣的氧化。這種技術已經在世界是普遍采用。

     5、鍋爐配管不使用不銹鋼鋼管

    輸送高溫高壓蒸汽的配管是外徑450～850mm、最大壁厚為130mm的大口徑厚壁鋼管。奧氏體不銹鋼鋼管雖然具有良好的高溫強度和耐蝕性，但熱膨脹大（約為鐵素體鋼的3倍）、熱疲勞特性差，不適宜用做大口徑厚壁鍋爐配管。日本國內鍋爐配管使用的是添加9～11%Cr的鐵素體鋼管（火STPA28等）。日本國外，上世紀50年代美國將奧氏體不銹鋼鋼管（316系16Cr-12Ni-Mo）用于主蒸汽配管，但由于熱疲勞產生故障，被取代。目前日本正在以官民結合項目的形式對700℃級蒸汽鍋爐配管用的新型Ni基合金進行研究開發。

     6、小結

    以上對鍋爐用不銹鋼無縫鋼管（傳熱管和配管）做了簡要介紹。日本在上世紀90年代率先在世界上實現了超超臨界鍋爐（蒸汽溫度為世界最高溫度600℃級）的實用化。日本開發的不銹鋼鋼管和鋼管制造獨有技術為世界火力發電鍋爐的高效率化和環境保護做出了貢獻。在世界經濟發展的進程中，對電力的需求不斷增長，能源多樣化和環境保護是不可回避的問題。日本將在鍋爐用不銹鋼鋼管新材料、新技術開發中做出新的貢獻。