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大口径钢管生产存在的主要问题及建议
发布日期:2016-01-08 阅读次数:1651

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  提高火电机组的参数,是满足电能生产高效、洁净、经济、可靠、安全要求的重要途径之一。超超临界火电机组是世界上成熟先进的发电技术,目前,主蒸汽/再热汽温度为600℃的超超临界机组供电效率可达44%~45%,在经济发达国家中广泛应用,取得了显著的节能和减少污染的效果,正向更高参数方向发展。

  目前,我国超临界火电机组,甚至包括部分亚临界火电机组中的关键材料,还有一部分依赖进口。进口材料价格昂贵、资源短缺,致使锅炉制造成本偏高、电厂建设周期延长,严重制约了国家的经济建设。因此,对高温高压工况管道用金属材料的性能研究,成为我国推广应用超超临界技术的关键。近年来,国内许多科研机构、大专院所、钢铁企业等,为新型耐热钢的国产化做了大量卓有成效的工作,为我国超临界火电机组用新型耐热钢打破国外垄断、降低建造成本等做出了巨大贡献。目前,建立我国自己的超临界火电机组锅炉用钢技术体系的时机已经成熟。

  大口径钢管在电力工业的使用特点

  用于高温高压工况的大直径管道用钢管,即过热器和再热器出口集箱和主蒸汽管道,以及化工管道,为降低壁厚、减轻热疲劳的影响,需要选用更高强度的材料。在590℃~625℃这个范围内,经常选择性能稳定可靠、具有长期使用经验的P91/P92这两个钢种,这两个钢种是我国现阶段国产化的重点。

  高温、高压工况大直径钢管P91/P92在合金化方面有以下特点:一是利用多元复合强化的原理提高材料的持久强度、蠕变强度和组织稳定性,如W、Mo复合添加,形成固溶强化,以W为主,因为W在固溶体中比Mo稳定;Nb、V(Ti)复合添加,形成弥散的碳化物析出强化。二是添加(控制)N,形成复杂的Nb、V(Ti)的CN化物,增加析出强化效果。三是降低C含量,改善材料的加工性能和焊接性能。

  大直径钢管P91/P92的国产化不是权宜之计,而是长远之计。不能设想国外会将高科技的关键技术和工艺轻易地转让给我们,有钱并不能买来一切。应合理选择适用材料进行国产化开发研究,并循序渐进科学有效可持续发展,确保高温高压工况用管国产化的质量安全。

  大直径无缝钢管产品大部分为要求很高的合金钢品种,要求生产企业不仅必须具备完整的炼钢、精炼、轧制、精整和热处理装备,还要有较高的产品开发能力和技术管理水平,才能满足电站建设、石油化工、机械制造和军工等行业对产品的高质量要求。

  现阶段大口径钢管生产存在的主要问题

  我国自1993年开始研究超超临界发电技术以来,已经历了20余年的发展历程,成功开发了600℃和625℃两个温度等级的先进铁素体材料。与超临界相比,超超临界发电技术的热效率提高了2%,每千瓦时煤耗降低了16克。由于先进铁素体材料性能的限制,超超临界燃煤发电技术只是洁净燃煤发电技术发展的初级阶段,尚不能达到与IGCC竞争的目标。因此, 700℃超超临界燃煤发电技术是洁净燃煤发电技术和装备的根本出路。

  按照参数和材料划分,燃煤发电技术和产品百年发展可划分为3个阶段:首先,常规铁素体材料经历了近百年的发展历程,达到超临界参数———压力24.2MPa,温度566℃;其次,1993年以先进铁素体材料为基础的洁净燃煤技术发展起来,被视为600℃超超临界的发展阶段;最后,今后将迎来洁净燃煤发电技术发展最为关键的第三阶段,即700℃超超临界燃煤发电设备的产业化,起步参数压力≥35MPa,温度≥700℃。

  材料研发是工业发展的基础,需要长时间、巨大的人力和物力的投入。与欧盟、日本和美国等先进国家和地区相比,我国缺乏自主产权的高温材料基础数据,成为约束超超临界发电技术发展的“瓶颈”。近年来,国内钢铁生产公司、锅炉制造企业及相关研究院所联合攻关,在模拟国外高温材料的基础上,基本实现锅炉用高温材料的国产化,但与欧盟、日本和美国等先进国家和地区相比,材料研究的工作仍很艰巨。

  现阶段大口径钢管生产存在的主要问题如下:

  冶金成分控制。国产大直径钢管P91/P92钢冶炼工艺与国外基本相同,冶金质量相差不大。问题的关键在于国外对P91/P92钢进行的基础研究比较扎实,对其成分优化范围控制得更合理,除P、S的控制目标分别为不大于0.020%和不大于0.010%外,还对V、Nb、N、O、Al、Ti 、Cu、Sb、Sn、As等元素的允许范围分别做出了规定。因此,对于P91/P92钢,在冶炼过程中要注意做好成分优化范围控制的基础研究工作。

  P92钢由于铬和钨的作用,当成分控制不当时,极易产生δ-铁素体。δ-铁素体对高温性能和冲击性能影响较大,我国一些研究院所和钢厂(如北方重工、诚德钢管等)进行了长期深入的研究。研究结果表明,根据合金相图和铬当量的控制,调整优化和控制各主要合金元素的成分,可以有效防止和减少P92钢中δ-铁素体生成,改善P92钢的性能。

  制管工艺和方法控制。制管过程涉及到材料的锻造比、形变速率、温度控制等,对材料的组织性能及产品质量有重要影响。P91/P92钢合金元素含量高,使得铸锭的柱状晶和成分偏析增大、热导性降低,并且淬透性甚好。这就要求在钢的轧制过程中坯料的加热均温要充分,保证足够的压下量(塑性变形量),控制好终轧温度以防再结晶的发生,以及轧后低温退火降低残留应力等。采用周期轧管、顶管、挤压等制管方法为主,穿轧和锻造镗孔等制管方法为补充,是保证P91/P92钢管国产化质量的适宜选择。

  不宜采用拉拔式和推制式扩管机对P91/P92钢管进行扩制,这两种扩管方法扩制的大直径无缝合金钢管不得使用于450℃以上的环境。这两种扩管方式,扩管时管壁金属变形不是沿限定状态流动,而是自由状态,因此,钢管扩制时会将原有管体缺陷扩大,使原有轧制紧密的结构变得疏松,采用拉拔式和推制式扩管机扩制的大直径无缝管有可能存在很大的危险性。

  热处理的控制。热处理工艺决定着钢管产品的最终性能。新型耐热钢生产厂须进行试验,找出最佳热处理工艺。钢管的化学成分确定之后,最终赋予钢管优良力学性能的是热处理工艺,热处理工艺造就了钢管的组织结构,组织结构决定了钢管的力学性能,只有性能合格的钢管才能使用于工程。在“成分—组织—性能—加工—使用”的环链关系中,任何一环的断开都会使整个环链崩溃。

  表面质量控制。采用机加工(即内镗外车)方法对钢管表面进行精整是最佳选择。如果采用强力磨削的方法,则应控制磨削温度不宜过高,并采用冷却液降温,以防止发生钢管表面淬火而形成细微的裂纹缺陷。

  产品质量状况。现阶段国内一批生产P91/P92的一些钢厂,注重设备改造和加强质量管理,不仅具备了较好的炼钢、轧制、精整和热处理装备,还具有较高的产品开发能力和技术管理水平。这些钢厂生产的P91/P92钢管,在产品质量上完全可以和欧、美、日生产的同类别的钢管媲美。但也存在一些设备和管理水平不高的企业,炼钢成分不加分析设计,制管设备选用不合理,包括使用简陋的设备随意对钢管进行扩制,钢管质量参差不齐;更有以次充好、以国产冒充进口者充斥市场,既降低了高温、高压工况大直径钢管的整体质量和国产化的信誉,又增大了锅炉化工设备和管道设备的危险性,还使用户的利益受到损失。

  提高大口径钢管标准水平的建议

  材料标准是材料应用的载体,我国现行的无缝钢管标准可分为通用标准、产品标准和试验标准等层次。现阶段应根据我国高温高压工况大直径钢管的发展现状,借鉴国际先进标准和技术,加大力度完善标准和标准体系,以适应先进锅炉和化工管道技术的发展要求。

  目前,我国在大口径钢管标准的内容中,还有一些内容由于历史原因没有得到完善。笔者根据多年来的一些体会,进行了客观研究和分析,针对进一步完善标准的内容提出一些建议。

  一是20世纪60年代以后,大型高炉、氧气转炉、连续浇铸和新型连轧机的投产,使钢铁生产面貌发生了巨大变化,此后出现了炼钢—炉外精炼—连铸三位一体的炼钢流程。钢的纯净度提高到一定程度,可以大幅度提高钢的性能,炉外精炼是降低钢中有害杂质、生产纯净钢的好方法。要生产高性能的钢管,就应紧跟当前世界先进的炼钢浇铸和轧管技术,在标准中规定对模铸坯或连铸坯直接制管时的强制性低倍和非金属夹杂物检验,以确保钢管质量。

  二是有色金属(铜、镍、铬等)及一些危害很大的痕量元素(铅、锡、砷、锑、铋)由于炼钢条件的限制,在冶炼过程中无法去除,为了不影响锅炉钢管的理化性能,标准中应给予含量限定。氧对钢的质量有很大危害,当采用铝脱氧时,铝会使碳素钢和含钼钢石墨化倾向加大,因此,在标准中应增加对碳素钢和碳钼钢管的酸溶铝(或总铝)含量的限定。

  三是按珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体分类,描述材料的金相组织。这种分类方法也适合于焊接中的异种钢的规定。建议在标准中增加标准金相图谱,及一些新型材料中对性能有影响的其他强化相和析出相的评级和定量图谱。另外,还应对9%Cr~12%Cr马氏体钢中δ-铁素体的含量进行限定。

  四是明确在高温、高压工况下使用的大直径无缝管不宜采用的制管和二次加工方法,如拉拔式和推制式扩管等,应严格禁止使用。

  五是在标准中前瞻性地研究和引进一些国外先进的、用于高温高压工况的新型材料,是引领材料进步的有效手段。但是,在引进中应严格按照科学方法办事,新材料在引进时应遵循引进—消化—吸收—再创新的过程。只有在新材料进行充分国产化研究和积累一定经验和试验数据后,再进入国家标准比较妥当,可以确保先进材料在批量生产中的质量,也有利于制造和市场监管。 

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