电站锅炉主蒸汽管道常用材料对比研究

材料。通过对比研究表明：四种钢材中，20G的适用最高温度最小，同等条件下力学性能最差，但其焊接性最好;12Cr1MoVG与15CrMoG焊接性均较差，同等条件下前者的力学性能与热强性优于后者;P92的适用最高温度最大，同等条件下具有最佳的力学性能、抗氧化性、耐高温腐蚀性、蠕变性能，但其焊接性最差。四种钢材在长期高温下使用，材料力学性能会随着组织球化或老化级别增加而降低。

关键词：主蒸汽管道;20G;15CrMoG;12Cr1MoVG;P92

中图分类号：TM621.2      文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）23-0078-02

Abstract： 20G， 15CrMoG， 12Cr1MoVG and P92 are commonly used materials for main steam pipes of utility boilers. The comparative study shows that among the four kinds of steel， 20G has the lowest applicable maximum temperature of 450 ℃， and the mechanical properties are the worst under the same conditions， but its weldability is the best. The weldability of 12Cr1MoVG and 15CrMoG is poor， and the mechanical properties and thermal strength of the former are better than those of the latter under the same conditions. The highest applicable temperature of P92 is 621 ℃. Under the same conditions， P92 has the best mechanical properties， oxidation resistance， high temperature corrosion resistance and creep properties， but its weldability is the worst. When four kinds of steel are used at high temperature for a long time， the mechanical properties of the materials will decrease with the increase of microstructure spheroidization or aging grade.

Keywords： main steam pipe; 20G; 15CrMoG; 12Cr1MoVG; P92

1 概述

近年来，我国国内电站锅炉主蒸汽管道爆炸事件时有發生，对人身和财产安全造成的损失不可估量，作为电站锅炉运行过程中主要的承压部件，保证主蒸汽管道的安全工作显得尤为重要。在实际工况条件下，既要避免优材低用，更要确保材料满足使用温度和压力要求，因此，需要综合经济和安全等多方面因素对主蒸汽管道的材质进行选用。本文对电站锅炉主蒸汽管道常用的几种钢材进行介绍和对比，以期为今后相关方面的工程实践提供借鉴作用。

2 电站锅炉主蒸汽管道常用材料

2.1 20G

20G是20号钢的高压锅炉用无缝钢管，是含碳量为0.2%的优质碳素结构钢，主要适用于计算壁温不大于450℃的中压、次高压电站锅炉主蒸汽管道。其国标为GB5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》，由于考虑到于在高温条件下使用寿命存在直接的关系，标准对20G的交货热处理做出了明确的规定，需进行880℃～940℃的正火。20G钢具体的化学成分如表1所示。

化学成分直接影响钢材的焊接性。一般而言，碳含量是影响钢材焊接性的主要因素，碳含量越多，钢材的焊接性越差;其次，合金元素的含量对于钢材的焊接性也产生一定的影响，合金元素越多，钢材的焊接性越差[1]，此外，根据国际焊接协会碳当量公式计算CE为0.23～0.34。因此， 20G钢具有优良的焊接性，其焊接接头不易产生夹渣，气孔、裂纹等缺陷。该种钢材的金相显微组织为铁素体加珠光体，长期在高温高压环境下工作，组织中的珠光体会发生球化现象。依据DL/T674-1999《火电厂用20钢珠光体球化评级标准》，按照珠光体球化组织特征可分为未球化、倾向性球化、轻度球化、中度球化和完全球化，分别对应的球化级别为1级至5级，球化级别越高，材质的力学性能总体呈现逐渐降低的态势。

2.2 15CrMoG

15CrMoG是15CrMo钢的无缝钢管，是一种低合金结构钢，主要适用于计算壁温不大于550℃的次高压、高压电站锅炉主蒸汽管道。该钢种的国标为GB5310-2017。标准中对15CrMoG钢的交货热处理状态做了详细的规定。15CrMoG钢具体的化学成分如表2所示。

由于合金元素的加入，且计算该钢材的碳当量CE为0.43～0.63，可知15CrMoG钢的焊接性要明显差于20G钢。焊接接头较易出现冷裂纹、再热裂纹和回火脆性等问题[2]。一般来说，相同条件下15CrMoG的强度、硬度等力学性能均优于20G，此外，Cr元素的加入提高了材料的抗氧化性能，Mo元素的加入提高了材料的热强性[3]，因此，15CrMoG钢在满足电站锅炉主蒸汽管道高温条件下使用的力学性能要求的基础上，同时具有足够的抗氧化性和热强性。作为一种珠光体型耐热钢，15CrMoG的金相显微组织为铁素体加珠光体，长期处于高温条件下使用会产生珠光体的球化。按照DL/T787-2001《火力发电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准》，根据珠光体球化组织特征可将球化级别分为1级至5级，随着球化级别的增大，15CrMoG钢的力学性能和热强性能随之降低。

2.3 12Cr1MoVG

12Cr1MoVG是12Cr1MoV钢的无缝钢管，是一种合金结构钢，主要适用于计算壁温不大于565℃的高压、超高压、亚临界电站锅炉主蒸汽管道。该种钢的国标与20G、15CrMoG的相同，为GB5310-2017。标准中对于12Cr1MoVG的交货热处理状态同样做出了详细的要求。12Cr1MoVG钢具体的化学成分如表3所示。

由于合金元素的加入，进一步计算该种钢材的碳当量CE为0.41～0.64。因此，12Cr1MoVG具有与15CrMoG类似较差的焊接性。焊接热影响区很容易产生冷裂纹[4]。一般来说，在相同条件下，12Cr1MoVG的力学性能要优于15CrMoG。Cr元素和Mo元素的加入，增强了钢材的抗氧化性和高温强度，此外，少量V元素的加入，进一步增强了12Cr1MoVG的热强性[4]。12Cr1MoVG的金相显微组织为铁素体加珠光体，或者为铁素体加贝氏体。与20G和15CrMoG相同，在长期高温环境下工作，12Cr1MoVG组织将发生球化。根据DL/T773-2016《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》，按照球化组织特征，球化级别分为1级至5级，随着球化级别的增加，材料的力学性能随之降低。

2.4 P92

P92是在P91基础上发展而来的锅炉用高合金结构钢，主要适用于使用温度不大于621℃的超临界、超超临界电站锅炉主蒸汽管道。该种钢的ASTM标准为A335/A335M。标准对P92钢供货热处理状态做了规定：正火加回火，其中正火温度为1040℃～1080℃，回火温度为730℃～800℃。P92钢的化学成分如表4所示。

由于该种钢材的合金含量远高于12Cr1MoVG，且通过计算得到其碳当量CE为1.91～2.3，因此，P92的焊接性远差于12Cr1MoVG，在焊接时需保证较高的预热温度和严格的工艺。一般来说，在相同条件下，P92的力学性能要明显优于12Cr1MoVG，此外，P92的抗氧化性、耐高温腐蚀性、蠕变性能均得到了明显的提升[5]。P92的金相显微组织为回火马氏体，根据DL/T884-2004《火电厂金相检验与评定技术导则》，按照老化组织特征可将老化程度分为未老化、轻度老化、中度老化、完全老化和严重老化，分别对应的老化级别为1级至5级，老化级别越高，材质的力学性能总体呈现逐渐降低的趋势。

3 结束语

电站锅炉主蒸汽管道常用材料20G、15CrMoG、12Cr1MoVG、P92，四种材料的性能存在一定的差异性。在工况使用时，应根據实际情况，从安全和经济等方面合理选用材料。此外，在长期高温条件下使用的主蒸汽管道，还应对其材料的显微组织球化或者老化程度进行及时准确的评估，以确保安全运行。

参考文献：

[1]凌爱林.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]龚志翔，张建平，孔晓眉，等.15CrMoG钢？椎450mm管坯连铸二冷工艺的优化[J].特殊钢，2004，25（6）：10-12.

[3]王晓梁，仇彬.15CrMoG耐热钢焊接接头工艺研究[J].装备制造技术，2016（04）：259-260.

[4]路书永，蒋冬冬.12Cr1MoVG耐热钢管道焊接工艺研究[J].金属加工（热加工），2012（22）：47-50.

[5]傅育文，王炯祥，卢征然，等.SA-335P92钢的焊接[J].动力工程，2008，28（5）：807-811.

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