國產(chǎn)S30432鋼管長期服役后特性分析

楊首恩，楊華春

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢643001）

S30342鋼管是在TP304H的基礎上，通過降低Mn含量上限，加入約3%左右的Cu、0.45%左右的Nb和一定量的N，使該鋼在服役時產(chǎn)生微細彌散、沉淀于奧氏體內(nèi)的富銅相。該富銅相與NbC（N）、NbCrN和 M23C6等其他析出物一起產(chǎn)生強化作用。S30432是一種綜合性能良好的新型18-8奧氏體不銹鋼，已被列入ASME SA-213標準。該鋼最高使用溫度為700℃，在此溫度下許用應力較常用的TP347H鋼高約20%以上。國產(chǎn)S30432鋼管由于性能優(yōu)良，于2008年在我國研制成功并批量生產(chǎn)，并在國內(nèi)多臺660MW、1 000MW超超臨界機組鍋爐中的屏式過熱器（簡稱屏過）、高溫過熱器（簡稱高過）和高溫再熱器（簡稱高再）采用［1］。

為了解國產(chǎn)鋼管在超超臨界狀態(tài)下長期服役后的特性，筆者通過從最先使用國產(chǎn)S30432內(nèi)噴丸鋼管的1 000MW超超臨界鍋爐屏過、高過和高再不同部位取樣，進行相關特性的檢測分析，以確定國產(chǎn)鋼管在超超臨界狀態(tài)下長期服役過程中組織、力學性能的變化規(guī)律，應用環(huán)境下的腐蝕行為等，為電廠開展金屬技術監(jiān)督工作提供理論依據(jù)，保證鍋爐長期安全可靠運行。

1 試驗材料

試驗所用國產(chǎn)噴丸S30432鋼管，取自于DG3030／26.15-Ⅱ1型1 000MW、主蒸汽和再熱蒸汽溫度分別為605℃和603℃的超超臨界參數(shù)變壓直流爐中高過、屏過、高再部件不同部位，共13根管子。具體取樣部位見表1，取樣時機是穩(wěn)定運行1.7×104h后停爐。管子有三種規(guī)格，其尺寸、爐號及化學成分見表2，各元素化學成分符合相關標準對S30432鋼管的要求。

表1 檢測樣管在鍋爐部件中的位置

表2 檢測樣管的化學成分 %

2 試驗結果

2.1 力學性能檢測

2.1.1 室溫力學性能

對表1中高過、屏過、高再上所割的13根檢測樣管進行室溫力學性能測定，每一檢測樣管取2個試樣進行拉力試驗，采用寬度為12.5mm、標距50mm的條狀試樣；硬度檢測取1個環(huán)狀試樣；由于壁厚的差異，沖擊試驗只在高過、屏過上進行，沖擊試樣尺寸為5mm×10mm×55mm。對13根檢測樣管所測得數(shù)值進行了統(tǒng)計分析，得出了屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、硬度值、沖擊吸收能量各自的最大值、最小值、平均值，結果見表3。

表3 室溫力學性能

為了便于與原材料管性能進行比較，表3中也給出了檢測樣管所在的1 000MW超超臨界機組鍋爐中高過、屏過、高再所用的國產(chǎn)S30432原材料，共74個批次入廠復驗的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、硬度值，通過統(tǒng)計分析得到的最大值、最小值、平均值。

由表3可見：服役后的國產(chǎn)S30432鋼管室溫力學性能良好，滿足ASME SA-213標準要求，各性能值均有一定裕量；但與相同批次原材料入廠復驗數(shù)據(jù)相比，服役后鋼管抗拉強度、屈服強度、硬度平均值都有一定的增加，抗拉強度增加9.8%，屈服強度增加18.3%，硬度增加7.1%；斷后伸長率的平均值有一定的下降，下降了9.8%，但仍高出標準要求17.1%；沖擊性能較好，檢測的沖擊吸收能量較高。

2.1.2 短時高溫力學性能

對表1中高過、屏過、高再上所割的13根檢測樣管進行700℃短時高溫力學性能測定，每一檢測樣管取2根試樣進行試驗，對13只檢測樣管所測得數(shù)值通過統(tǒng)計分析，得出了非比例延伸強度（Rp0.2）、抗拉強度（Rm）各自的最大值、最小值、平均值，結果見表4。

表4 700℃短時高溫力學性能

表4也給出了檢測樣管所在的1 000MW超超臨界機組鍋爐中高過、屏過、高再所用的國產(chǎn)S30432原材料6個批次入廠復驗的Rp0.2、Rm通過統(tǒng)計分析得到的最大值、最小值、平均值。

因ASME SA-213標準中未對鋼管的短時高溫強度進行具體規(guī)定，故表4中采用了GB 5310—2008的強度值以進行對比。

由表4可見：服役后的國產(chǎn)S30432鋼管短時高溫力學性能良好，Rp0.2平均值達到206MPa，高于GB 5310中對S30432材料（10Cr18Ni9NbCu3BN）600℃短時高溫力學性能Rp0.2推薦值138MPa。與相同批次原材料入廠復驗數(shù)據(jù)相比，服役后的國產(chǎn)S30432鋼管Rp0.2有一定的增加，增加了22.1%，抗拉強度增加了7.9%。

2.2 微觀檢測

2.2.1 金相組織

對表1中高過、屏過、高再上所割的13根檢測樣管在光學顯微鏡及掃描電鏡下進行微觀組織檢測。它們的微觀組織特征為奧氏體加碳化物，晶粒度為8.0～8.5級，第二相沿晶界及從晶內(nèi)析出，沒有觀察到塊狀σ相，第二相聚集長大趨勢不明顯。部分檢測樣管光學顯微鏡下的金相組織上見圖1～圖3。

圖1 屏過“5”樣的金相組織

圖2 高過“8”樣的金相組織

圖3 高再“10”樣的金相組織

13根檢測樣管的原材料組織為單一的奧氏體組織，圖4為屏過“8”樣原材料入廠復檢的金相組織。

圖4 屏過“8”樣原材料的金相組織

2.2.2 第二相能譜分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜儀（EDS）對表1中高過、屏過、高再上所割的13根檢測樣管微觀組織中析出的第二相進行能譜分析。組織形貌中顆粒較大的第二相析出物中Nb含量遠遠超過基體水平，應是Nb的碳（氮）化物，彌散析出的細小第二相為M23C6。沒有觀察到塊狀σ相存在。部分檢測樣第二相能譜分析結果見圖5～圖7。

圖5 屏過“5”樣較大第二相的能譜分析

圖6 高過“8”樣晶界上第二相的能譜分析

圖7 高再“10”樣細小第二相的能譜分析

2.3 晶間腐蝕試驗

對表1中高過、屏過、高再上所割的13根檢測樣管進行晶間腐蝕試驗。試驗按ASTM A262中規(guī)定的E法進行，經(jīng)16h沸煮后進行彎曲試驗。部分檢測樣管晶間腐蝕試驗后進行彎曲后試樣的宏觀形貌見圖8～圖10。

圖8 屏過“5”樣彎曲后試樣的宏觀形貌

圖9 高過“8”樣彎曲后試樣的宏觀形貌

圖10 高再“10”樣彎曲后試樣的宏觀形貌

晶間腐蝕試驗結果表明：屏過、高過的檢測樣管彎曲試樣內(nèi)壁存在明顯的裂紋，外壁沒有裂紋；高再檢測樣管彎曲試樣內(nèi)壁存在微裂紋，外壁沒有裂紋；晶間腐蝕試驗不合格。

2.4 抗高溫蒸汽氧化能力檢測

對表1中高過、屏過、高再上所割的13根檢測樣管進行抗高溫蒸汽氧化性能檢測。檢測結果表明：這些管子內(nèi)表面沒有氧化皮，只有氧化膜存在，氧化膜非常薄，小于5μm。利用光學顯微鏡對管子內(nèi)壁近表面的微觀形貌檢測表明：在管子內(nèi)壁存在明顯的噴丸層，噴丸層的硬度與母材基體的硬度差達100HV0.2以上。圖11～圖13為部分檢測樣管管子內(nèi)壁近表面橫截面的微觀形貌特征。

圖11 屏過“5”樣內(nèi)壁的微觀形貌

圖12 高過“8”樣內(nèi)壁的微觀形貌

圖13 高再“10”樣內(nèi)壁的微觀形貌

2.5 持久性能試驗

對屏過“3”樣、高過“8”樣按照GB／T 2039—1997《金屬高溫蠕變及持久強度試驗方法》進行試驗溫度為700℃的持久性能試驗，試驗還在進行中。

對試驗中已斷裂樣的數(shù)據(jù)（試樣斷裂的最長時達到期約6 000h）進行分析，并與日本住友數(shù)據(jù)及屏過、高過所用S30432材料廠家數(shù)據(jù)進行對比（見圖14，圖中箭頭代表未斷點）。

圖14 持久試驗斷裂樣的數(shù)據(jù)分布

從圖中可以看出，經(jīng)服役后的已經(jīng)斷裂數(shù)據(jù)仍在S30432原材料數(shù)據(jù)帶內(nèi)。

3 分析

對國產(chǎn)S30432鋼管在1 000MW超超臨界機組上運行1.7×104h后取樣試驗的結果進行分析有以下幾點：

（1）S30432鋼管與未服役過的原材料鋼管的金相組織對比，它們的差異是比較明顯的，服役過的奧氏體組織中第二相沿晶界及從晶內(nèi)析出，而原材料鋼管為過飽和奧氏體組織。

過飽和奧氏體服役過程中第二相會從奧氏體組織析出，是正常的脫溶強化。對S30432來說，與它的成分組成、運行有關，其運行時所形成的是細小、彌散的富 Cu相顆粒、NbC（N）、NbCrN和Cr23C6，從而獲得良好的強化效果，提高了持久強度，使其可以在更高的許用應力下使用。在組織中沒有觀察到塊狀σ相，第二相的聚集長大趨勢不明顯。因此，S30432鋼管的微觀組織正常。

（2）S30432鋼管力學性能良好，各性能值均有一定裕量，滿足相關標準要求。與未服役過的原材料鋼管的力學性能比較，兩者之間還是存在一定的差異，服役后的國產(chǎn)S30432鋼管室溫抗拉強度、屈服強度、硬度、700℃短時高溫Rp0.2的平均值都有一定的增加。

服役后力學性能的變化與S30432材料的固有特性有關，S30432材料在服役前處于固溶處理供貨狀態(tài)，在高溫服役過程中，碳化物及其他第二相的析出及變化對材料的性能變化有著主導性的影響。正是S30432材料中第二相的析出，產(chǎn)生微細彌散、沉淀于奧氏體內(nèi)的富銅相、NbC（N）起到了一定的強化作用的結果。

（3）晶間腐蝕試驗表明管子抗晶間腐蝕能力較弱，未通過晶間腐蝕試驗。而這些管子的原材料入廠復驗晶間腐蝕試驗是合格的。導致晶間腐蝕試驗不合格是因為S30432鋼管經(jīng)長期運行后，由于第二相（Cr23C6）的形成，奪走了部分鉻原子，從而對管子表面的晶間腐蝕抗力有影響。然而，實際運行工況下并沒有晶間腐蝕環(huán)境，鍋爐在正常運行時，一般不存在晶間腐蝕介質，不會引起晶間腐蝕。ASME SA-213標準中也不對不銹耐熱鋼的晶間腐蝕進行明確規(guī)定。該爐運行1.7×104h后，其高過、屏過、高再部件未發(fā)生晶間腐蝕失效，并且沒有出現(xiàn)過爆管等質量事故。因而，對晶間腐蝕不宜過分關注。

（4）雖然S30432鋼管是細晶粒鋼，其抗高溫蒸汽氧化性能高于TP304H，但S30432中的Cr含量只有18%，在超超臨界機組的抗高溫蒸汽氧化性能不一定十分理想。對S30432鋼管噴丸，能在鋼管內(nèi)壁近表面產(chǎn)生大量的位錯、亞結構、孿晶等晶體缺陷，在鍋爐運行初期成為Cr元素由基體向管內(nèi)表面擴散的短程通道，從而加快了Cr元素向內(nèi)表面擴散的速度。此外，噴丸引入的表層缺陷，使得鉻的氧化物形核密度、氧化膜生長速度以及鉻的擴散有較好的協(xié)調性，有利于Cr2O3膜形成及生長至穩(wěn)態(tài)厚度，從而能提高S30432鋼管的抗高溫蒸汽氧化性能。

檢測結果表明高過、屏過、再熱部件不同部位中所割的13只管子的內(nèi)壁氧化膜非常薄，小于5μm，在管子內(nèi)壁存在有明顯的噴丸層（圖11～圖13），這說明噴丸的國產(chǎn)S30432鋼管抗蒸汽氧化能力優(yōu)良。表明S30432材料通過內(nèi)壁表層的噴丸處理能大大提高材料的抗高溫蒸汽氧化性能。

（5）從屏過、高過檢測樣管持久性能試驗中已斷裂樣的數(shù)據(jù)處于日本住友、S30432材料廠家原材料試驗數(shù)據(jù)的分散帶內(nèi)（圖14），這表明國產(chǎn)S30432鋼管持久性能比較穩(wěn)定，管子的持久強度基本滿足標準要求。持久性能的穩(wěn)定同樣與S30432材料的微觀特性有關，是在服役時產(chǎn)生微細彌散、沉淀于奧氏體內(nèi)的富銅相、NbC（N）起到了一定的強化作用的結果。

4 結語

通過對噴丸國產(chǎn)S30432鋼管在1 000MW超超臨界機組上服役1.7×104h后的特性分析，可得到以下結論：

（1）服役鋼管的微觀組織正常，組織穩(wěn)定性良好。

（2）服役鋼管的力學性能符合SA-213對鋼管要求的規(guī)定，各性能值均具有一定裕量。

（3）鋼管經(jīng)內(nèi)壁噴丸處理后，抗高溫蒸汽氧化性能大大提高，滿足超超臨界狀態(tài)下的抗蒸汽氧化要求。

（4）服役鋼管抗晶間腐蝕能力減弱。

（5）服役鋼管持久性能比較穩(wěn)定。

［1］楊華春，彭芳芳，楊金炳.超超臨界鍋爐用S30432鋼管的國產(chǎn)化試驗及其應用［J］.動力工程學報，2010，30（4）：284-292.