本研究报道了欧洲研发的ASTM A213 T115钢（10.5Cr-0.5Mo-V-Nb）抗蒸汽氧化钢的化学成分、力学性能、持久强度、许用应力、抗蒸汽氧化性能、焊接材料、焊接工艺和焊后热处理工艺；ASME Code Case 2890批准T115钢用于制造锅炉的过热器、再热器和管道。T115钢抗蒸汽氧化性能优于T91，许用应力与T91在同一水平，焊接性能优良，可以提高马氏体钢制造过热器、再热器和管道的金属设计温度，减少锅炉过热器和再热器的奥氏体钢使用量，提高过热器和再热器传热效率。

    1 前言

    泰纳瑞斯公司与美国橡树岭国家实验室和GE公司等单位合作，开发出T115抗蒸汽氧化钢钢管。ASME Code Case 2890批准T115钢用于制造锅炉的过热器、再热器和管道。由于T115钢抗蒸汽氧化性能优于T91，许用应力与T91在同一水平，焊接性能优良，所以可以提高马氏体钢制造过热器、再热器和管道的金属设计温度，减少锅炉过热器和再热器的奥氏体钢使用量。

    2 T115钢试验材料及其化学成分

    泰纳瑞斯公司用30吨和100吨工业炉冶炼T115钢，热轧成管子，T115钢热处理工艺如表1所示。正火和回火均在静止空气中冷却。T115钢化学成分如表2所示。

    3 T115钢金相组织

    泰纳瑞斯公司测试的T115钢转变温度如表3所示，精确度为±5℃。

    T115钢正火温度是1050-1100℃，在出炉冷却的900-482℃期间，管子中心部位的冷却速率应不低于5℃/ min。在静止空气中冷却，可得到均匀的马氏体。该钢回火温度是750-790℃，金相显微组织如图1所示。美国电力研究院提出：对于9-12%Cr钢，当钢的CNB≤10时，钢中没有δ铁素体；当10<钢的CNB≤12时，钢中可能没有δ铁素体，也可能有δ铁素体，是否有δ铁素体取决于钢的制造过程。T115钢为回火马氏体组织，不希望有δ铁素体，当δ铁素体不超过3%时，持久强度满足要求。

    4 T115钢力学性能

    采用下列回火参数，T115钢硬度为190-250HB：24.6 ≤ PHJ ≤ 25.4，PHJ=T（23.7+Log t）。

    回火温度T的单位是K，回火时间t的单位是h。T115钢回火参数与硬度关系如图2所示。

    泰纳瑞斯公司测试的T115钢拉伸性能如表4所示。泰纳瑞斯公司进行了T115钢V型缺口冲击试验。泰纳瑞斯公司进行的正火+回火及时效处理的T115钢拉伸试验和冲击试验结果如表5-表8所示。从表5-表8看出：经过675℃的1万小时时效后，T115钢管子性能仍然满足标准要求。泰纳瑞斯公司进行的T115钢单轴拉伸持久试验结果如图3所示。

    5 T115钢抗蒸汽氧化性能

    美国橡树岭国家实验室测试了炉号为478320和485490的T115钢及T91抗蒸汽氧化性能。用纯水（O<10ppb）产生蒸汽在试样周围流动，最长试验时间是11000h，每500h停炉，取出试样，测试质量损失。11000h后，蒸汽氧化皮内层是致密的，内层氧化皮没有脱落，蒸汽氧化皮外层是多孔的。试验结果如图4和图5所示。从图4和图5可以看出： T115钢650℃蒸汽氧化速度与T91钢600℃蒸汽氧化速度在同一水平。

    6 T115钢焊接性能和弯管性能

    泰纳瑞斯公司进行了钨极气体保护焊（GTAW）、手工电弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）焊接试验。T115钢的焊接分类号是15E-1，同种钢焊接选用T91/P91常用焊材。当焊接接头需要高的抗蒸汽氧化/抗腐蚀性能时，选用Ni 基焊材。T115钢与奥氏体钢焊接，选用Ni 基合金焊材，T115钢与T22/P22焊接，选用T22/P22常用焊材。上述焊接试验的接头性能全部满足标准要求。

    泰纳瑞斯公司进行了T115钢小口径管的焊接工艺评定试验和大口径管的焊接工艺评定试验，试验结果满足ASME要求。弯管试验结果表明：T115钢冷热成型工艺与T91冷热成型工艺相同。T115钢焊接工艺试验参数和试验结果如表9和表10所示。T115钢小口径管的焊接工艺评定试验和大口径管的焊接工艺评定试验结果如表11和表12所示。

    7 分析

    ASME安排专家对泰纳瑞斯公司提供的T115钢试验数据进行计算，给出了T115钢许用应力，计算结果如表13所示。ASME Code Case 2890取用去除持久断裂时间小于1000h的试验应力点的试验数据的计算结果为T115钢许用应力。

    去除断裂时间小于1000h的试验数据后，T115钢持久试验数据三次回归方程：

    T×（logt+24.05544771）=26548.45637+4117.210353×logσ-2395.614036×（logσ）？ （1）

    T：温度，℃；t：时间，；σ：应力，MPa。

    2015年5月，电力公司把T115钢小口径管、大口径管和管配件安装到余热锅炉的过热器和管道上，管子金属温度大于615℃。2015年6月，电力公司把T115钢管子安装在鼓泡式沸腾床锅炉的管道上，管子内部蒸汽温度620℃。

    对于T91/P91钢管，当蒸汽氧化皮厚度≤250μm，蒸汽氧化皮不易剥落；当蒸汽氧化皮厚度>400μm，蒸汽氧化皮很可能剥落；当管子内壁的蒸汽氧化皮厚度在250-400μm之间，蒸汽氧化皮可能会剥落，取决于管子的温度变化速度。美国电力研究院提出的防止蒸汽氧化皮剥落的T91/P91使用的蒸汽温度上限如表14所示。由于T115钢抗蒸汽氧化性能优于T91，所以T115钢过热器和再热器的管子金属设计温度不超过607℃（管子出口蒸汽温度≤587℃），可以防止T115钢过热器和再热器内壁的蒸汽氧化皮剥落堵塞弯头导致过热器和再热器超温爆管。

    从表15看出：可以使用Φ60mm×5mm、T115钢代Φ60mm×4mm、内壁喷丸S304H制造超超临界二次再热机组锅炉的二次再热高温再热器进口段，可以节省成本50%。

    8 结论

    通过以上试验和与T91钢的对比试验，得到了以下结论：1）T115钢抗蒸汽氧化性能优于T91。2）T115钢许用应力与T91在同一水平。3）T115钢焊接工艺性能和弯管工艺性能与T91在同一水平。4） T115钢使用温度高于T91，可以在比T91使用温度高的温度范围代替奥氏体钢制造过热器、再热器和管道。

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