為了提高熱效率、降低發(fā)電成本，需要提高鍋爐的蒸汽溫度和壓力，自然要求開(kāi)發(fā)具有高的高溫強度、經(jīng)濟型的材料以在鍋爐上運用。以前，在大型鍋爐的過(guò)熱器和再熱器的高溫段，主要應用了諸如TP304H、TP321H、TP347H之類(lèi)的18-8類(lèi)奧氏體不銹鋼和9-12Cr系的熱強鋼。自從上世紀60年代、特別是80年代中期開(kāi)始，超（超）臨界鍋爐機組的研制開(kāi)發(fā)、安裝、投入運行以來(lái)，對應地研制開(kāi)發(fā)了各種高持久強度、抗氧化性能良好以及高溫耐蝕性?xún)?yōu)良的新型材料，以滿(mǎn)足鍋爐機組不同部件對材料的要求。如低合金鋼、5Cr系、9Cr系、12Cr系、15Cr系、18Cr系以及20-25Cr系的熱強鋼，其中9-12Cr鋼和新型的奧氏體鋼的研制開(kāi)發(fā)進(jìn)展尤其神速。國內也有文章粗略介紹有關(guān)鋼種，分析這些新鋼種的優(yōu)勢特點(diǎn)、探討用新鋼種在鍋爐上應用的可行性。

  其中之一的鋼種被稱(chēng)之為SUPER304H。該鋼是由日本住友金屬株式會(huì )社和三菱重工在A(yíng)SME SA-213TP304H的基礎上，通過(guò)降低Mn含量上限，加入約3%的Cu、約0.45%的Nb和一定量的N，使該鋼在服役時(shí)產(chǎn)生微細彌散、沉淀于奧氏體內的富銅相，并與其互相密合；該富銅相與NbC、NbN、NbCrN和M23C6一起產(chǎn)生極佳的強化作用，而開(kāi)發(fā)得到很高的許用應力的一種新型的、經(jīng)濟型的18-8奧氏體不銹鋼。其開(kāi)發(fā)出來(lái)的目的，就是專(zhuān)用于超臨界鍋爐的過(guò)熱器和再熱器。從經(jīng)濟觀(guān)點(diǎn)看，首先這種新鋼種不含昂貴的Mo、W等貴重元素；次之其許用應力較目前常用的ASME SA-213TP347H鋼要高約20%以上，其在鍋爐上的應用能減薄鋼管壁厚；相對地能降低鍋爐制造成本。目前該鋼已經(jīng)納入日本MITI標準，2000年3月由ASME code case 2328予以確認，預計不久后將納入ASTM A-213標準。

  由于該鋼在日本電站鍋爐的過(guò)熱器和再熱器上的應用時(shí)間已達10年，用量已達6000余噸，顯示出良好的綜合性能。為了給我們今后設計、生產(chǎn)超（超）臨界機組鍋爐在選材提供一定數據依據，本文根據日本住友提供的技術(shù)交流資料和國內所做的評定試驗數據，對SUPER304H不銹鋼管的性能及特點(diǎn)進(jìn)行評述介紹。

一、化學(xué)成分

  表示出了SUPER304H不銹鋼管的化學(xué)成分的有關(guān)規定。在鋼中加入適量的銅和鈮，是為了提高其持久強度、持久塑性、韌性和抗腐蝕性；對高溫抗拉強度有較大影響的氮含量上限控制在0.12%，主要是考慮到運行溫度下長(cháng)期時(shí)效后塑性下降。國內的實(shí)測值也列于表中，從表中可以看出：日本住友所提供的SUPER304H不銹鋼管評定的分析結果，滿(mǎn)足表中規范所規定的要求。

二、供貨狀態(tài)與金相組織

  SUPER304H不銹鋼管的供貨狀態(tài)為固溶處理。經(jīng)最終的固溶處理（最低固溶處理溫度1100℃）的熱處理后，金相組織應為單一的奧氏體組織，晶粒度應為7~10級。

三、性能

  在所有18-8類(lèi)奧氏體不銹鋼中，SUPER304H的優(yōu)點(diǎn)是因具有優(yōu)良的持久強度，因而許用應力極高，且具有相當優(yōu)異的抗腐蝕性、抗氧化性和良好的焊接性。因此，該種經(jīng)濟型的鋼管在鍋爐過(guò)熱器和再熱器高溫段的應用，將給鍋爐制造上帶來(lái)相當大的便利、可降低制造成本，并可增強鍋爐運行的安全性。

 1. 力學(xué)性能

  表給出的數據是有關(guān)資料測試的SUPER304H不銹鋼管的室溫拉伸性能、硬度和0℃沖擊值，表3是高溫拉力試驗結果[8-10]，為便于比較，表中也列入了ASME SA-213TP347H的性能。從表中可看出，SUPER304H不銹鋼管的屈服強度和抗拉強度比常規的18-8不銹鋼管高，而塑性卻與TP347H不銹鋼管幾乎相同，這主要是得益于氮的固溶強化作用。

 2. 高溫持久強度

 測試結果表明：SUPER304H的應力-斷裂時(shí)間關(guān)系具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，并沒(méi)有隨溫度提高和時(shí)間延長(cháng)而導致斷裂應力下降的傾向。其105小時(shí)平均持久強度采用拉森—米勒參數法進(jìn)行了多參數回歸分析進(jìn)行外推計算。圖說(shuō)明SUPER304H的105h持久強度（600℃、650℃、700℃）外推值比ASME SA-213 TP347規定值高20%以上；而資料[9]的試驗結果更高，650℃約高50%，為128MPa。在蠕變溫度范圍內，該鋼的持久強度的大大提高主要得益于鋼管在服役運行時(shí)，在奧氏體基體內析出的、并與之互相密合的微細富銅相的沉淀強化作用。此外，M23C6、Nb（C，N）和NbCrN的沉淀強化作用也有助于持久強度的提高。

 3. 長(cháng)期時(shí)效性能

  該鋼在500℃至750℃、經(jīng)最長(cháng)達104小時(shí)時(shí)效后，進(jìn)行了0℃沖擊和金相組織研究。圖是沖擊試驗結果。該結果說(shuō)明：該鋼經(jīng)高溫時(shí)效后，沖擊值出現降低現象，但這種下降趨勢在短期時(shí)效時(shí)間內就趨于穩定。即使經(jīng)長(cháng)期時(shí)效運行后，SUPER304也未有出現脆化現象，且具有足夠的韌性。在650℃進(jìn)行試驗，最長(cháng)保溫時(shí)間為5000小時(shí)，沖擊試驗結果趨向與日本住友資料報導相同；而強度、塑性和硬度則變化不大；時(shí)效后的金相組織沒(méi)有明顯變化。說(shuō)明雖然SUPER304H中所含的9%鎳相對較低，但經(jīng)長(cháng)期時(shí)效后，金相組織仍是相當穩定，幾乎沒(méi)有觀(guān)察到塊狀σ相。這可能是因為對硅含量進(jìn)行了控制以及加入了氮。

 4. 抗腐蝕性及抗蒸汽氧化性

  對該鋼在650℃的蒸汽抗氧化性試驗表明：SUPER304H鋼管在該溫度下的抗氧化性大大優(yōu)于SA-213TP304H和TP347H，相同條件下的氧化腐蝕深度僅為T(mén)P304H的一半左右、為T(mén)P347H的67%左右，略差于細晶粒的TP347H；而耐蝕性?xún)?yōu)于TP304H，略遜于TP347H。這是因為其組織晶粒度細小、還添加了鈮。圖4與圖5示出了SUPER304H的抗蒸汽氧化性和高溫抗腐蝕性的結果。

 5. 許用應力σ

  由于該鋼加入Cu、Nb和N，產(chǎn)生了多元復合強化效果，故得到很高的許用應力，至少比ASMESA-213 TP347 高20%以上。表為ASME code case2328數值的內插許用應力數據。

四、工藝性能

  1. 焊接性能

     a. 焊接性

   SUPER304H不銹鋼管的焊接性是通過(guò)適宜檢測熱裂敏感性的可變拘束抗裂試驗和拘束抗裂試驗來(lái)進(jìn)行評定研究。圖表明，SUPER304H的熱裂敏感性比TP347H更低。

    b. 焊接接頭性能

   表給出了焊接材料的化學(xué)成分，表則給出了試管的焊接條件。GTAW接頭的宏觀(guān)照見(jiàn)圖、彎曲形態(tài)見(jiàn)圖、微觀(guān)組織見(jiàn)圖，室溫和高溫下的強度都與母材相同，圖給出了用GTAW工藝焊制的接頭的持久強度試驗結果，焊接接頭的持久強度與母材的持久強度平均值相同，未發(fā)現其接頭持久強度降低的現象。焊縫金相組織為奧氏體加少量的鐵素體；焊縫的面彎和背彎(D=3T, 90°)均完好，表明焊縫有足夠的塑性和韌性；接頭的拉伸強度（室溫）滿(mǎn)足母材的技術(shù)條件要求，與母材的實(shí)測值較為接近見(jiàn)表8；焊接頭在650℃時(shí)的105小時(shí)高溫持久強度外推值為129MPa，幾乎與母材完全相同。

   c. 焊后熱處理

   焊后熱處理不是強制要求或必須進(jìn)行。若在服役前的存放期間，能對熱影響區部分進(jìn)行適當的保護處理，以防止促進(jìn)應力腐蝕的氯離子侵蝕，則不必進(jìn)行焊后熱處理；否則，推薦采用焊后熱處理，工藝如圖所示，圖為SUPER304H不銹鋼管的敏化曲線(xiàn)。

  2. 不銹鋼彎曲工藝

  該鋼適合各種彎曲工藝，只要該工藝對管子表面不產(chǎn)生損傷。在表10所示的彎曲工藝條件下，得到的管子彎頭的外觀(guān)示于圖，彎管的表面未發(fā)現裂紋。圖為管子彎頭橫截面的微觀(guān)組織。

  3. 橢圓度變化

  該鋼管彎曲后進(jìn)行的尺寸測量表明：經(jīng)冷熱加工的彎頭，其橢圓度最大為3.2%，且擠壓彎頭的橢圓度最大約為9.3%，與TP347H管彎后測得的橢圓度較接近，滿(mǎn)足我國行業(yè)標準JB/T1611《不銹鋼鍋爐管制造技術(shù)條件》和我公司DG1103《不銹鋼鍋爐管制造》標準，在實(shí)際生產(chǎn)應用中為可接受的橢圓度；同時(shí)彎后的壁厚減薄量也滿(mǎn)足標準的規定。這表明其彎管工藝性能良好，能夠滿(mǎn)足鍋爐部件制造的需要。

  4. 彎后熱處理

    a. 冷彎

    圖顯示了冷加工的SUPER304H不銹鋼管的蠕變斷裂性能。與原始材料相比，冷加工率高于20%時(shí)，其對持久強度的負面影響最大。從持久強度考慮，對彎心半徑不大于2.5DR（20%）的彎頭（或雖彎心半徑較大，但產(chǎn)生了較大的拉伸殘余應力）推薦采用彎后熱處理。若服役前沒(méi)有適當的防止氯離子侵蝕的保護措施，則所有彎心半徑的彎管均須熱處理，規范與焊后熱處理相同。資料同時(shí)指出，彎后硬度增加較多，應進(jìn)行彎后熱處理。

    b. 熱彎

   除非熱加工溫度控制在1120℃~1150℃，否則須進(jìn)行重新固溶處理，以恢復其正常的持久強度性能。

五、SUPER304H鋼管電廠(chǎng)長(cháng)期時(shí)效后的性能

 SUPER304H不銹鋼管在日本燃煤電廠(chǎng)作為過(guò)熱器管和再熱器管廣泛應用。從1988年開(kāi)始就在日本電站鍋爐進(jìn)行實(shí)地運行試驗，對經(jīng)十年實(shí)地時(shí)效運行的管子的檢驗結果證實(shí)：該鋼可用作為過(guò)熱器和再熱器材料。下面是SUPER304H不銹鋼管經(jīng)鍋爐中實(shí)地運行后的試驗結果。

  1. 鋼管及實(shí)地運行試驗條件

  將用SUPER304H不銹鋼管制作的過(guò)熱器和再熱器管子置于日本的一家電站鍋爐進(jìn)行實(shí)地運行。過(guò)熱器和再熱器管子的尺寸分別為Φ38.1×6.0mm和Φ54.0×5.0mm；也生產(chǎn)了細晶粒的試管。將試管按如圖所示置入三級過(guò)熱器和二級再熱器。為便于比較，此鋼的彎頭和接頭以及TP321H和細晶粒的TP347H也同時(shí)置入。鍋爐的運行條件如表所示。經(jīng)過(guò)1年、2.5年、6.5年和10年的運行時(shí)效后，從鍋爐中取出試管。凈時(shí)效時(shí)間分別為7898小時(shí)、19586小時(shí)、50811小時(shí)和79208小時(shí)。

  2. 表面及尺寸

  圖給出了取出的SUPER304H試管的尺寸測量結果。新管與取出的試管的外徑和壁厚相比，少有變化。取出的試管外表面平整，未發(fā)現明顯的高溫腐蝕。

  3. 力學(xué)性能

   圖給出了取出的SUPER304H試管在室溫和600℃測得的拉伸試驗結果。室溫下，在時(shí)效時(shí)間達到2.5年之前，其抗拉強度和屈服強度都隨時(shí)間延長(cháng)而上升，但在6.5年及之后，強度值卻不發(fā)生什么變化；而在600℃時(shí)抗拉強度變化很少。SUPER304H試管在室溫和600℃時(shí)的強度水平均高于TP321H和細晶粒的TP347H。取出的SUPER304H試管，在0℃進(jìn)行夏比沖擊試驗得到的沖擊結果示于圖。沖擊值經(jīng)1年的時(shí)效后下降較多，但以后即使時(shí)效時(shí)間達10年，沖擊值并不繼續下降，仍達到60J/cm2。

 4. 蠕變斷裂性能

  圖給出了取出的SUPER304H試管的蠕變斷裂性能。經(jīng)最長(cháng)達十年的服役時(shí)效后的持久強度仍在原始材料持久強度的分散帶內。

 5. 金相組織

  圖給出了取出的SUPER304H試管的光學(xué)顯微組織。很少見(jiàn)到塊狀的σ相，這表明其組織是相當穩定的。

 6. 蒸汽抗氧化性能

  蒸汽氧化皮厚度與在鍋爐中運行服役時(shí)間的關(guān)系，說(shuō)明細晶粒的SUPER304H不銹鋼管的蒸汽抗氧化性幾乎與細晶粒的TP347H相同，而優(yōu)于TP321H鋼，如圖的比較。

六、結論以及今后研究方向

  綜合各方面性能來(lái)看，無(wú)論從該鋼的國內外各種試驗結果以及在日本電站鍋爐的過(guò)熱器和再熱器上的應用時(shí)間已達十多年的情況，都顯示出該鋼具有良好的綜合特性，各方面均優(yōu)于常規的18-8奧氏體不銹鋼，特別是該鋼的許用應力較ASME SA-213TP347H高約20%，其在700℃的許用應力仍達到47MPa。試驗和應用的結果以及機電部發(fā)電設備中心的評定結論均證實(shí)：該鋼管可用作超（超）臨界鍋爐的過(guò)熱器和再熱器材料。當然，由于該鋼目前主要應用均在日本，雖然其已經(jīng)得到ASME CODE CASE 2328確認，但尚未正式納標。國內目前已經(jīng)做的只是進(jìn)行了鋼管的初步評定試驗，但還有在實(shí)際生產(chǎn)中的工藝性能仍應進(jìn)一步了解并予以掌握，為其在我國今后的正式應用提供技術(shù)數據儲備。故目前國內即將應用的同時(shí)，還要做一定的應用試驗研究工作。