能源产业用不锈钢—锅炉用不锈钢无缝钢管
能源产业用不锈钢—锅炉用不锈钢无缝钢管
1、前言
锅炉用钢管可分为两种制造方法：无缝钢管和电焊钢管、两种材质：铁素体钢和奥氏体不锈钢、两种用途：配管和传热管。将这些制造方法、材质和用途组合起来共计8种类别。但使用不锈钢的只有奥氏体不锈钢无缝钢管传热管。在JIS标准中，不锈钢的Cr含量在11%以上，牌号的表示方法是SUS+数字序号。
2、传热管和配管
传热管又叫做热交换管，作用是将锅炉的燃烧热量传递给热交换管内流动的水。配管是输送水和水蒸气用的钢管，不进行热交换。传热管的日本标准是JIS G3463“锅炉、热交换器用不锈钢钢管”，配管的日本标准是JIS G3459“配管用不锈钢钢管”。在这两个标准中都有通用不锈钢SUS304（18C-8Ni奥氏体不锈钢）。SUS304传热管和配管虽然是化学成分、热处理、力学性能、尺寸相同，但分别属于不同的标准。
3、锅炉传热管不使用铁素体不锈钢
不锈钢有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢。铁素体不锈钢是体心立方晶格的金属。是面心立方金属，奥氏体不锈钢中添加Cr和较多的Ni、Mn。铁中含C的钢在常温下组织是铁素体。为在常温下获得奥氏体，必须在钢中添加10%以上的Cr、Ni。
铁素体钢的特点是，高温下原子扩散速度快（约为奥氏体钢的10倍）、导热性好、热膨胀率小。缺点是在高温下，发生析出脆化、韧性差、强度低（尤其是高温蠕变强度低）。蠕变是负荷作用下的金属在高温下随着时间的延长发生变形、断裂的现象。一般来说，钢在400℃以上时会发生蠕变。
锅炉用钢管在最高蒸汽温度约600℃、压力约25MPa（约250个大气压）的条件下使用，对钢管最重要的要求是具有在高温高压下使用30年以上的高温强度（蠕变强度）。含11%以上Cr的铁素体不锈钢钢管的高温蠕变强度不及奥氏体不锈钢。此外，由于铁素体不锈钢高温下原子扩散速度快，产生σ相（50Fe-50Cr）使钢的强度下降、脆性显著。含有较多Ni、N、Mn的奥氏体不锈钢可以抑制σ相的产生。锅炉传热管要求具有良好的高温组织稳定性和较高的高温强度，所以不采用铁素体不锈钢。
锅炉传热管用奥氏体不锈钢的标准体系如图1。牌号前带有“火”字的材料是基于“电气事业法”的“火力技术基准解释”认可的、近年来实用化的材料。虽然锅炉传热管也可以使用一般的JIS标准中的不锈钢钢管，但由于对锅炉钢管有高温高压、长时间使用时可靠性的要求，因此使用经第三方专家审定认可的材料。这种材料的牌号前带有“火”字，以区别于一般用途不锈钢。
火SUS304J1HTB（18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N）是日本自主开发的细晶组织（晶粒度8级）奥氏体不锈钢，具有良好的抗水蒸气氧化能力，并且由于添加Cu，使Cu微细析出提高了钢的高温蠕变强度。
火SUS310J1TB（25Cr-20Ni-Nb-N、HR3C钢管）利用Nb碳化物析出强化，高温强度是传统的SUS316HTB的1.4倍。除了用于火力发电锅炉，还用于生物质能燃料锅炉和废弃物发电锅炉。
这些锅炉传热管都是无缝钢管。焊接钢管传热管用材最高含Cr量是2.25%，（低合金铁素体钢），无缝钢管用材是Cr量大于2.25%的高合金材料。原因是，传热管要求高的高温强度和组织稳定性以及性能的可靠性，所以选用无缝钢管。
为了提高粗晶粒组织不锈钢SUS321HTB（18Cr-10Ni-Ti）的抗水蒸气氧化能力，开发出锅炉传热管的喷丸硬化处理技术。18Cr奥氏体不锈钢内表面经喷丸硬化处理，高温下Cr容易扩散，在钢管内表面生成致密的Cr氧化物皮膜，防止了水蒸气的氧化。这种技术已经在世界是普遍采用。
5、锅炉配管不使用不锈钢钢管
输送高温高压蒸汽的配管是外径450～850mm、最大壁厚为130mm的大口径厚壁钢管。奥氏体不锈钢钢管虽然具有良好的高温强度和耐蚀性，但热膨胀大（约为铁素体钢的3倍）、热疲劳特性差，不适宜用做大口径厚壁锅炉配管。日本国内锅炉配管使用的是添加9～11%Cr的铁素体钢管（火STPA28等）。日本国外，上世纪50年代美国将奥氏体不锈钢钢管（316系16Cr-12Ni-Mo）用于主蒸汽配管，但由于热疲劳产生故障，被取代。目前日本正在以官民结合项目的形式对700℃级蒸汽锅炉配管用的新型Ni基合金进行研究开发。
6、小结
以上对锅炉用不锈钢无缝钢管（传热管和配管）做了简要介绍。日本在上世纪90年代率先在世界上实现了超超临界锅炉（蒸汽温度为世界最高温度600℃级）的实用化。日本开发的不锈钢钢管和钢管制造独有技术为世界火力发电锅炉的高效率化和环境保护做出了贡献。在世界经济发展的进程中，对电力的需求不断增长，能源多样化和环境保护是不可回避的问题。日本将在锅炉用不锈钢钢管新材料、新技术开发中做出新的贡献。