国产S30432钢管长期服役后特性分析

2015-12-20杨首恩杨华春

发电设备 2015年1期

杨首恩，杨华春

（东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川自贡643001）

S30342钢管是在TP304H的基础上，通过降低Mn含量上限，加入约3%左右的Cu、0.45%左右的Nb和一定量的N，使该钢在服役时产生微细弥散、沉淀于奥氏体内的富铜相。该富铜相与NbC（N）、NbCrN和 M23C6等其他析出物一起产生强化作用。S30432是一种综合性能良好的新型18-8奥氏体不锈钢，已被列入ASME SA-213标准。该钢最高使用温度为700℃，在此温度下许用应力较常用的TP347H钢高约20%以上。国产S30432钢管由于性能优良，于2008年在我国研制成功并批量生产，并在国内多台660MW、1 000MW超超临界机组锅炉中的屏式过热器（简称屏过）、高温过热器（简称高过）和高温再热器（简称高再）采用［1］。

为了解国产钢管在超超临界状态下长期服役后的特性，笔者通过从最先使用国产S30432内喷丸钢管的1 000MW超超临界锅炉屏过、高过和高再不同部位取样，进行相关特性的检测分析，以确定国产钢管在超超临界状态下长期服役过程中组织、力学性能的变化规律，应用环境下的腐蚀行为等，为电厂开展金属技术监督工作提供理论依据，保证锅炉长期安全可靠运行。

1 试验材料

试验所用国产喷丸S30432钢管，取自于DG3030／26.15-Ⅱ1型1 000MW、主蒸汽和再热蒸汽温度分别为605℃和603℃的超超临界参数变压直流炉中高过、屏过、高再部件不同部位，共13根管子。具体取样部位见表1，取样时机是稳定运行1.7×104h后停炉。管子有三种规格，其尺寸、炉号及化学成分见表2，各元素化学成分符合相关标准对S30432钢管的要求。

表1 检测样管在锅炉部件中的位置

表2 检测样管的化学成分 %

2 试验结果

2.1 力学性能检测

2.1.1 室温力学性能

对表1中高过、屏过、高再上所割的13根检测样管进行室温力学性能测定，每一检测样管取2个试样进行拉力试验，采用宽度为12.5mm、标距50mm的条状试样；硬度检测取1个环状试样；由于壁厚的差异，冲击试验只在高过、屏过上进行，冲击试样尺寸为5mm×10mm×55mm。对13根检测样管所测得数值进行了统计分析，得出了屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、硬度值、冲击吸收能量各自的最大值、最小值、平均值，结果见表3。

表3 室温力学性能

为了便于与原材料管性能进行比较，表3中也给出了检测样管所在的1 000MW超超临界机组锅炉中高过、屏过、高再所用的国产S30432原材料，共74个批次入厂复验的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、硬度值，通过统计分析得到的最大值、最小值、平均值。

由表3可见：服役后的国产S30432钢管室温力学性能良好，满足ASME SA-213标准要求，各性能值均有一定裕量；但与相同批次原材料入厂复验数据相比，服役后钢管抗拉强度、屈服强度、硬度平均值都有一定的增加，抗拉强度增加9.8%，屈服强度增加18.3%，硬度增加7.1%；断后伸长率的平均值有一定的下降，下降了9.8%，但仍高出标准要求17.1%；冲击性能较好，检测的冲击吸收能量较高。

2.1.2 短时高温力学性能

对表1中高过、屏过、高再上所割的13根检测样管进行700℃短时高温力学性能测定，每一检测样管取2根试样进行试验，对13只检测样管所测得数值通过统计分析，得出了非比例延伸强度（Rp0.2）、抗拉强度（Rm）各自的最大值、最小值、平均值，结果见表4。

表4 700℃短时高温力学性能

表4也给出了检测样管所在的1 000MW超超临界机组锅炉中高过、屏过、高再所用的国产S30432原材料6个批次入厂复验的Rp0.2、Rm通过统计分析得到的最大值、最小值、平均值。

因ASME SA-213标准中未对钢管的短时高温强度进行具体规定，故表4中采用了GB 5310—2008的强度值以进行对比。

由表4可见：服役后的国产S30432钢管短时高温力学性能良好，Rp0.2平均值达到206MPa，高于GB 5310中对S30432材料（10Cr18Ni9NbCu3BN）600℃短时高温力学性能Rp0.2推荐值138MPa。与相同批次原材料入厂复验数据相比，服役后的国产S30432钢管Rp0.2有一定的增加，增加了22.1%，抗拉强度增加了7.9%。

2.2 微观检测

2.2.1 金相组织

对表1中高过、屏过、高再上所割的13根检测样管在光学显微镜及扫描电镜下进行微观组织检测。它们的微观组织特征为奥氏体加碳化物，晶粒度为8.0～8.5级，第二相沿晶界及从晶内析出，没有观察到块状σ相，第二相聚集长大趋势不明显。部分检测样管光学显微镜下的金相组织上见图1～图3。

图1 屏过“5”样的金相组织

图2 高过“8”样的金相组织

图3 高再“10”样的金相组织

13根检测样管的原材料组织为单一的奥氏体组织，图4为屏过“8”样原材料入厂复检的金相组织。

图4 屏过“8”样原材料的金相组织

2.2.2 第二相能谱分析

利用扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）对表1中高过、屏过、高再上所割的13根检测样管微观组织中析出的第二相进行能谱分析。组织形貌中颗粒较大的第二相析出物中Nb含量远远超过基体水平，应是Nb的碳（氮）化物，弥散析出的细小第二相为M23C6。没有观察到块状σ相存在。部分检测样第二相能谱分析结果见图5～图7。

图5 屏过“5”样较大第二相的能谱分析

图6 高过“8”样晶界上第二相的能谱分析

图7 高再“10”样细小第二相的能谱分析

2.3 晶间腐蚀试验

对表1中高过、屏过、高再上所割的13根检测样管进行晶间腐蚀试验。试验按ASTM A262中规定的E法进行，经16h沸煮后进行弯曲试验。部分检测样管晶间腐蚀试验后进行弯曲后试样的宏观形貌见图8～图10。

图8 屏过“5”样弯曲后试样的宏观形貌

图9 高过“8”样弯曲后试样的宏观形貌

图10 高再“10”样弯曲后试样的宏观形貌

晶间腐蚀试验结果表明：屏过、高过的检测样管弯曲试样内壁存在明显的裂纹，外壁没有裂纹；高再检测样管弯曲试样内壁存在微裂纹，外壁没有裂纹；晶间腐蚀试验不合格。

2.4 抗高温蒸汽氧化能力检测

对表1中高过、屏过、高再上所割的13根检测样管进行抗高温蒸汽氧化性能检测。检测结果表明：这些管子内表面没有氧化皮，只有氧化膜存在，氧化膜非常薄，小于5μm。利用光学显微镜对管子内壁近表面的微观形貌检测表明：在管子内壁存在明显的喷丸层，喷丸层的硬度与母材基体的硬度差达100HV0.2以上。图11～图13为部分检测样管管子内壁近表面横截面的微观形貌特征。

图11 屏过“5”样内壁的微观形貌

图12 高过“8”样内壁的微观形貌

图13 高再“10”样内壁的微观形貌

2.5 持久性能试验

对屏过“3”样、高过“8”样按照GB／T 2039—1997《金属高温蠕变及持久强度试验方法》进行试验温度为700℃的持久性能试验，试验还在进行中。

对试验中已断裂样的数据（试样断裂的最长时达到期约6 000h）进行分析，并与日本住友数据及屏过、高过所用S30432材料厂家数据进行对比（见图14，图中箭头代表未断点）。

图14 持久试验断裂样的数据分布

从图中可以看出，经服役后的已经断裂数据仍在S30432原材料数据带内。

3 分析

对国产S30432钢管在1 000MW超超临界机组上运行1.7×104h后取样试验的结果进行分析有以下几点：

（1）S30432钢管与未服役过的原材料钢管的金相组织对比，它们的差异是比较明显的，服役过的奥氏体组织中第二相沿晶界及从晶内析出，而原材料钢管为过饱和奥氏体组织。

过饱和奥氏体服役过程中第二相会从奥氏体组织析出，是正常的脱溶强化。对S30432来说，与它的成分组成、运行有关，其运行时所形成的是细小、弥散的富 Cu相颗粒、NbC（N）、NbCrN和Cr23C6，从而获得良好的强化效果，提高了持久强度，使其可以在更高的许用应力下使用。在组织中没有观察到块状σ相，第二相的聚集长大趋势不明显。因此，S30432钢管的微观组织正常。

（2）S30432钢管力学性能良好，各性能值均有一定裕量，满足相关标准要求。与未服役过的原材料钢管的力学性能比较，两者之间还是存在一定的差异，服役后的国产S30432钢管室温抗拉强度、屈服强度、硬度、700℃短时高温Rp0.2的平均值都有一定的增加。

服役后力学性能的变化与S30432材料的固有特性有关，S30432材料在服役前处于固溶处理供货状态，在高温服役过程中，碳化物及其他第二相的析出及变化对材料的性能变化有着主导性的影响。正是S30432材料中第二相的析出，产生微细弥散、沉淀于奥氏体内的富铜相、NbC（N）起到了一定的强化作用的结果。

（3）晶间腐蚀试验表明管子抗晶间腐蚀能力较弱，未通过晶间腐蚀试验。而这些管子的原材料入厂复验晶间腐蚀试验是合格的。导致晶间腐蚀试验不合格是因为S30432钢管经长期运行后，由于第二相（Cr23C6）的形成，夺走了部分铬原子，从而对管子表面的晶间腐蚀抗力有影响。然而，实际运行工况下并没有晶间腐蚀环境，锅炉在正常运行时，一般不存在晶间腐蚀介质，不会引起晶间腐蚀。ASME SA-213标准中也不对不锈耐热钢的晶间腐蚀进行明确规定。该炉运行1.7×104h后，其高过、屏过、高再部件未发生晶间腐蚀失效，并且没有出现过爆管等质量事故。因而，对晶间腐蚀不宜过分关注。

（4）虽然S30432钢管是细晶粒钢，其抗高温蒸汽氧化性能高于TP304H，但S30432中的Cr含量只有18%，在超超临界机组的抗高温蒸汽氧化性能不一定十分理想。对S30432钢管喷丸，能在钢管内壁近表面产生大量的位错、亚结构、孪晶等晶体缺陷，在锅炉运行初期成为Cr元素由基体向管内表面扩散的短程通道，从而加快了Cr元素向内表面扩散的速度。此外，喷丸引入的表层缺陷，使得铬的氧化物形核密度、氧化膜生长速度以及铬的扩散有较好的协调性，有利于Cr2O3膜形成及生长至稳态厚度，从而能提高S30432钢管的抗高温蒸汽氧化性能。

检测结果表明高过、屏过、再热部件不同部位中所割的13只管子的内壁氧化膜非常薄，小于5μm，在管子内壁存在有明显的喷丸层（图11～图13），这说明喷丸的国产S30432钢管抗蒸汽氧化能力优良。表明S30432材料通过内壁表层的喷丸处理能大大提高材料的抗高温蒸汽氧化性能。

（5）从屏过、高过检测样管持久性能试验中已断裂样的数据处于日本住友、S30432材料厂家原材料试验数据的分散带内（图14），这表明国产S30432钢管持久性能比较稳定，管子的持久强度基本满足标准要求。持久性能的稳定同样与S30432材料的微观特性有关，是在服役时产生微细弥散、沉淀于奥氏体内的富铜相、NbC（N）起到了一定的强化作用的结果。