高壓鍋爐用碳鋼無縫鋼管:SA210A-1、SA210C、20G比較分析

摘要:　

調研發現,目前國內生產的SA210A-1在實際的供料中沒有單獨坯料,通常會以SA210C坯或20G坯代之。

為了研究這種替代方式能否滿足SA210A-1材料標準和產品設計要求,通過對SA210M 標準中SA210A-1、SA210C及GB 5310標準中的20G成分和性能的比較分析,提出在SA210A-1管采購要求中,應增加Mn下限規定的優化意見。

前言

當前參數等級在亞臨界及以上的鍋爐機組受壓件用碳鋼材料主要有3種:20G、SA210A-1、SA210C,基本用于低溫過熱器、低溫再熱器、水冷壁和省煤器等部件中的受熱面管,管子金屬設計溫度通常在350℃~425℃ 。

由于碳鋼的強化元素是C和Mn,而鍋爐制造廠從焊接性能考慮通常會嚴格限制C含量。按ASME中的描述:在規定較大碳含量以下含碳量每降低0.01%,則允許在規定的較大錳含量之上各增加0.06%的含錳量,但較大不得超過1.35%。

說明1個碳含量下降帶來的強度損失一般需6個錳含量進行彌補,但從當前鋼管廠的實際供料中卻發現一個有意思的現象:即國內SA210A-1似乎沒有成分鮮明的單獨坯料,要么以SA210C坯代之,要么以20G坯代之,這種現象可在表1隨機抽取的部分批次SA210A-1、SA210C、20G 的成分和性能數據比較中得到直觀印象,差異更明顯體現在Mn含量上。

同樣是SA210A-1,表1中的序號6、7、8成分及性能和20G相當,序號9成分及性能和SA210C相當。那么這種替代方式能否保證SA210A-1滿足材料標準和產品設計要求呢? 以下遵循標準的脈絡并結合產品的使用條件進行分析。

1.比較和分析

1.1 SA210A-1和SA210C的比較分析

SA210A-1是美國ASME SA210M 中的鋼號,其和210C的主要區別在于含C量上(表2),反映在性能上SA210C的強度比SA210A-1的強度約高10% (表3),其在設計溫度350℃～425℃ 區間的設計許用應力比SA210A-1高10 %(表4),即表明相同工況條件下,SA210C的管材壁厚可比SA210A-1減少約10% ,故SA210A-1用SA210C坯料即意味壁厚裕量可增多10% 。

由表1反映出雖然實際供料的SA210C含碳量并不高,但Mn含量的提高彌補了C對強度降低的影響。

1.2 SA210A-1和20G的比較分析

20G是GB 5310-2008中的鋼號,單從成分列表(表5)看,20G和SA210A-1成分有兼容區域,似乎二者可互相替代,但從高溫屈服和許用應力(表6)看,SA210A-1的高溫屈服較20G高10%以上,SA210A-1在350℃～425℃區間的設計許用應力比20G平均高約10%,這說明SA210A-1選用20G坯料,從性能上來說是以低代高,如果原SA210A-1的壁厚裕量不充分的話,是隱含一定風險的。

2.印證

GB 5310自1995版起參照國外常用標準,增加了相應鋼牌號,如相對于SA210A-1增加的鋼號是20MnG,相對于SA210C增加的鋼號是25MnG。

作為典型的生產型標準,GB5310結合國內鍋爐用鋼的使用特點,對原ASME牌號的寬泛要求進行了細化和限定,主要表現在規定了C和Mn的成分區間,特別是Mn的下限提升至0.7%,較20G的Mn上限更高。

表8、9、10分別是國標系列的3個鋼的成分、性能和許用應力比較。

由表10可清晰地反映出在350℃~425℃區間,相當于SA210A-1的20MnG 的設計許用應力較20G 高約10%,相當于SA210C 的25MnG的設計許用應力較20G高約20%,較20MnG高約10% ,與前述結果吻合。

3.結語

1. 作為金屬設計溫度在350℃～425℃區間通常選用的鍋爐受壓件材料,SA210A-1的的設計許用應力較SA210C低約10%,較20G高約10%。

2. 考慮鍋爐用鋼的使用特點,為保證SA210A-1滿足材料標準和產品設計要求,應優化SA210A-1成分設計,在SA210A-1管采購技術條件中,增加Mn含量0.7的下限規定。