噴丸處理對188型奧氏體耐熱鋼抗蒸汽氧化性能的影響

楊首恩， 楊華春， 劉盛波

(東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司， 四川自貢 643001)

為了提高發電效率、減少CO2排放量，鍋爐蒸汽參數在不斷提高，對鍋爐材料性能的要求也就越高。這不僅要求材料具有較高的蠕變斷裂強度，而且也要具備更好的抗氧化性能。在我國超臨界、超超臨界機組中，噴丸處理是提高18-8型奧氏體耐熱鋼管抗蒸汽氧化性能的途徑之一，噴丸管也在超臨界、超超臨界鍋爐過熱器和再熱器系統上得到廣泛應用[1]。鋼管內壁噴丸處理是將高速彈丸噴向鋼管內壁表面，使其表層在彈丸的射擊下發生塑性變形而強化，形成一定厚度的噴丸硬化層，硬化層經多次循環塑性變形發生晶粒破碎、晶格歪曲、高密度位錯、奧氏體轉變為馬氏體等變化[2-4]。

在超超臨界鍋爐中，凡是進行了噴丸處理的鋼管，在服役過程中，管子內壁生成的氧化膜非常薄，內壁氧化膜脫落情況不明顯。凡是未進行內壁噴丸處理的鋼管，在一些機組上都出現過鋼管內壁氧化膜脫落，出現這類問題的鋼管的服役時間大約為1萬h，最短服役時間為0.5萬h。這些機組在長期運行過程中，為了防止鋼管內壁氧化膜脫落給機組運行帶來安全隱患，須定期檢查相關彎頭部位的氧化膜堆積情況，堆積嚴重處要割下彎頭進行清理。

筆者通過對不同情況得到的18-8型奧氏體耐熱鋼管進行檢測分析和抗蒸汽氧化性能試驗研究，以確定噴丸奧氏體耐熱鋼管抗蒸汽氧化性能的實際效果。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料的來源及類型見表1。

1.2 試驗方法

利用金相顯微鏡、X射線衍射(XRD)儀、掃描電子顯微鏡及能譜儀(EDS)對試驗材料管內壁氧化膜特性進行檢測分析；并對TP347HFG、噴丸S30432及噴丸TP347H這3種鋼管進行在650 ℃、27 MPa超超臨界蒸汽參數下的氧化試驗。

表1 試驗材料

2 試驗結果

2.1 服役鋼管檢測

2.1.1 噴丸管

3種噴丸處理后的鍋爐高溫再熱器管在不同服役時間后的內壁氧化膜橫截面形貌及噴丸層硬度見圖1。從圖1可看出：管內表層微觀組織形貌與原管組織有較大差異，內壁存在明顯的噴丸層，噴丸層區域硬度比基體高60HV0.2以上，內壁氧化膜非常薄，厚度小于5 μm。

圖1 3種噴丸管服役后氧化膜形貌及硬度

2.1.2 未噴丸管

4種未噴丸處理的鍋爐高溫再熱器管在不同服役時間后的內壁氧化膜橫截面形貌見圖2。

從圖2可看出：未經噴丸處理的奧氏體耐熱鋼在服役過程中，都將在內壁形成2層或2層以上的氧化膜，其氧化膜外層結構非常疏松、多孔、易脫落。

圖2 4種未噴丸管服役后氧化膜形貌及厚度

2.2 蒸汽氧化試驗

2.2.1 氧化動力學關系

S8、S9和S10在650 ℃、27 MPa的蒸汽參數下氧化膜厚度(hoxide)與時間(t)的關系見圖3。

圖3 3種奧氏體耐熱鋼氧化膜厚度與時間的關系

TP347HFG的氧化速率較大，噴丸S30432、噴丸TP347H在2 000 h內，試樣表面大部分區域只形成了很薄的氧化物，只在局部形成了較厚的島狀氧化物，因此無法準確測得氧化膜厚度與時間的關系，僅測得局部島狀氧化物厚度與時間的關系。

2.2.2 氧化膜形貌

S8、S9和S10在650 ℃、27 MPa的蒸汽參數下氧化2 000 h后的氧化膜形成情況見表2，氧化膜橫截面形貌見圖4。

TP347HFG表面為雙層氧化膜，內外層氧化膜界面上存在明顯孔洞；噴丸TP347H和噴丸S30432氧化膜橫截面形貌類似，其氧化膜很薄，只有局部區域生長出較厚的島狀氧化物，且最大厚度僅在20 μm左右。

表2 氧化膜形成情況

圖4 3種奧氏體耐熱鋼氧化膜形貌

2.2.3 氧化膜物相

利用XRD儀及EDS對S8、S9和S10在650 ℃、27 MPa的蒸汽參數下氧化2 000 h后氧化物結構進行分析，具體見圖5、圖6。

圖5 3種奧氏體耐熱鋼氧化膜的XRD圖譜

圖6 3種奧氏體耐熱鋼氧化膜物相結構

3 結果分析

提高188型奧氏體耐熱鋼管抗蒸汽氧化性能的常規途徑有整體細晶?；幚砗蛢缺趪娡杼幚?，兩者原理類似：前者經細晶粒化處理后鋼的晶粒變細、晶界密度增加，高密度的晶體缺陷和晶界都為Cr原子提供了向氧化前沿擴散的快速通道，從而提高鋼管抗蒸汽氧化性能；后者使鋼管內表面噴丸后形成的碎化晶層有高密度位錯、亞結構、孿晶等晶體缺陷，成為鍋爐運行初期Cr向內壁表面擴散的短路通道，加快了Cr的擴散速度，有利于在鋼管內壁表面形成較多致密的Cr2O3薄膜，正是由于Cr2O3薄膜的存在才阻礙了基體金屬的氧化，提高了金屬自身的抗氧化性能[5-6]。

通過對上述A、B、C電廠受熱面用噴丸S30432管在不同服役時間后內壁噴丸層的檢測表明：噴丸S30432管在長期服役后存在明顯的噴丸層，噴丸層區域硬度仍較高，且內壁氧化層厚度非常薄(見圖1、圖2、圖3)；但是，無論是D電廠超臨界機組采用的TP347HFG還是E電廠超超臨界機組采用的TP347HFG、S30432這些細晶粒奧氏體耐熱鋼，當未進行噴丸層處理時，在服役一定時間后，管子內壁將產生明顯的氧化膜，并有氧化膜脫落現象發生(見圖5、圖6、圖7)。從這些實際應用效果看，內壁噴丸處理的抗蒸汽氧化性能完全優于鋼管整體細晶粒化處理。因此，在超臨界、超超臨界狀態下的長期運行過程中，內壁噴丸層處理的18-8型奧氏體耐熱鋼管具有非常優良的抗蒸汽氧化性能。

HR3C管中含Cr質量分數在24%～26%，抗高溫蒸汽氧化性能優良，但通過對C電廠中服役7.2萬h后HR3C及噴丸S30432管內壁微觀形貌特征(見圖3、圖4)的檢測表明：HR3C內壁存在明顯的氧化層，氧化層為3層，厚度約44 μm，外層脫落明顯；而噴丸S30432管內壁氧化層厚度非常薄。這表明在長期服役過程中，內壁噴丸S30432管在超超臨界狀態下的抗氧化性能優良，優于HR3C材料的抗氧化性能。

根據對TP347HFG、噴丸S30432及噴丸TP347H在650 ℃、27 MPa蒸汽參數下的試驗和分析結果看：噴丸S30432及噴丸TP347H的抗蒸汽氧化性能遠優于TP347HFG，內壁噴丸的TP347H抗蒸汽氧化性能基本上與HR3C相當。通過噴丸處理，S30432和TP347H在高溫高壓狀態下生成了FeCr2O4和Cr2O3類富Cr氧化物，這種氧化膜具有較好的保護性，因而表現出良好的抗蒸汽氧化性能。未進行噴丸處理的TP347HFG，內壁氧化膜的外層為疏松、多孔、易脫落的Fe2O3和Fe3O4。這也表明粗晶粒的TP347H通過內壁噴丸處理，抗蒸汽氧化性能非常優良。因此，在超臨界鍋爐中，采用內壁噴丸的TP347H是完全可行的，并且是一種經濟、安全、便捷的方法。

4 結語

筆者通過對不同材料及不同服役時間的不銹鋼鋼管進行試驗和分析，得出以下結論：

(1) 在超超臨界狀態下，TP347H及S30432經噴丸處理后抗蒸汽氧化性能優于TP347HFG；在超超臨界狀態下，內壁噴丸的S30432抗蒸汽氧化性能優于HR3C；在超臨界鍋爐中，采用內壁噴丸TP347H鋼管是合理、可靠的選擇。

(2) 試驗研究結果及實際應用表明，噴丸處理是提高18-8型奧氏體耐熱鋼抗蒸汽氧化性能最有效途徑。