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(tuán)東方鍋爐股份有限公司， 四川自貢 643001)

為了提高發(fā)電效率、減少CO2排放量，鍋爐蒸汽參數(shù)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(qiáng)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(jī)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(tǒng)上得到廣泛應(yīng)用[1]。鋼管內(nèi)壁噴丸處理是將高速彈丸噴向鋼管內(nèi)壁表面，使其表層在彈丸的射擊下發(fā)生塑性變形而強(qiáng)化，形成一定厚度的噴丸硬化層，硬化層經(jīng)多次循環(huán)塑性變形發(fā)生晶粒破碎、晶格歪曲、高密度位錯、奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體等變化[2-4]。

在超超臨界鍋爐中，凡是進(jìn)行了噴丸處理的鋼管，在服役過程中，管子內(nèi)壁生成的氧化膜非常薄，內(nèi)壁氧化膜脫落情況不明顯。凡是未進(jìn)行內(nèi)壁噴丸處理的鋼管，在一些機(jī)組上都出現(xiàn)過鋼管內(nèi)壁氧化膜脫落，出現(xiàn)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(jī)組在長期運(yùn)行過程中，為了防止鋼管內(nèi)壁氧化膜脫落給機(jī)組運(yùn)行帶來安全隱患，須定期檢查相關(guān)彎頭部位的氧化膜堆積情況，堆積嚴(yán)重處要割下彎頭進(jìn)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(jìn)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(nèi)壁氧化膜特性進(jìn)行檢測分析；并對TP347HFG、噴丸S30432及噴丸TP347H這3種鋼管進(jìn)行在650 ℃、27 MPa超超臨界蒸汽參數(shù)下的氧化試驗。

表1 試驗材料

2 試驗結(jié)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(nèi)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(nèi)表層微觀組織形貌與原管組織有較大差異，內(nèi)壁存在明顯的噴丸層，噴丸層區(qū)域硬度比基體高60HV0.2以上，內(nèi)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(nèi)壁氧化膜橫截面形貌見圖2。

從圖2可看出：未經(jīng)噴丸處理的奧氏體耐熱鋼在服役過程中，都將在內(nèi)壁形成2層或2層以上的氧化膜，其氧化膜外層結(jié)構(gòu)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(xué)關(guān)系

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

圖3 3種奧氏體耐熱鋼氧化膜厚度與時間的關(guān)系

TP347HFG的氧化速率較大，噴丸S30432、噴丸TP347H在2 000 h內(nèi)，試樣表面大部分區(qū)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(zhǔn)確測得氧化膜厚度與時間的關(guān)系，僅測得局部島狀氧化物厚度與時間的關(guān)系。

2.2.2 氧化膜形貌

S8、S9和S10在650 ℃、27 MPa的蒸汽參數(shù)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(nèi)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(qū)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(shù)下氧化2 000 h后氧化物結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)

3 結(jié)果分析

提高188型奧氏體耐熱鋼管抗蒸汽氧化性能的常規(guī)途徑有整體細(xì)晶?；幚砗蛢?nèi)壁噴丸處理，兩者原理類似：前者經(jīng)細(xì)晶?；幚砗箐摰木ЯＷ兗?xì)、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(kuò)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(nèi)表面噴丸后形成的碎化晶層有高密度位錯、亞結(jié)構(gòu)、孿晶等晶體缺陷，成為鍋爐運(yùn)行初期Cr向內(nèi)壁表面擴(kuò)散的短路通道，加快了Cr的擴(kuò)散速度，有利于在鋼管內(nèi)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(nèi)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(qū)域硬度仍較高，且內(nèi)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(jī)組采用的TP347HFG還是E電廠超超臨界機(jī)組采用的TP347HFG、S30432這些細(xì)晶粒奧氏體耐熱鋼，當(dāng)未進(jìn)行噴丸層處理時，在服役一定時間后，管子內(nèi)壁將產(chǎn)生明顯的氧化膜，并有氧化膜脫落現(xiàn)象發(fā)生(見圖5、圖6、圖7)。從這些實際應(yīng)用效果看，內(nèi)壁噴丸處理的抗蒸汽氧化性能完全優(yōu)于鋼管整體細(xì)晶粒化處理。因此，在超臨界、超超臨界狀態(tài)下的長期運(yùn)行過程中，內(nèi)壁噴丸層處理的18-8型奧氏體耐熱鋼管具有非常優(yōu)良的抗蒸汽氧化性能。

HR3C管中含Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)在24%～26%，抗高溫蒸汽氧化性能優(yōu)良，但通過對C電廠中服役7.2萬h后HR3C及噴丸S30432管內(nèi)壁微觀形貌特征(見圖3、圖4)的檢測表明：HR3C內(nèi)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(nèi)壁氧化層厚度非常薄。這表明在長期服役過程中，內(nèi)壁噴丸S30432管在超超臨界狀態(tài)下的抗氧化性能優(yōu)良，優(yōu)于HR3C材料的抗氧化性能。

根據(jù)對TP347HFG、噴丸S30432及噴丸TP347H在650 ℃、27 MPa蒸汽參數(shù)下的試驗和分析結(jié)果看：噴丸S30432及噴丸TP347H的抗蒸汽氧化性能遠(yuǎn)優(yōu)于TP347HFG，內(nèi)壁噴丸的TP347H抗蒸汽氧化性能基本上與HR3C相當(dāng)。通過噴丸處理，S30432和TP347H在高溫高壓狀態(tài)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(hù)性，因而表現(xiàn)出良好的抗蒸汽氧化性能。未進(jìn)行噴丸處理的TP347HFG，內(nèi)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(nèi)壁噴丸處理，抗蒸汽氧化性能非常優(yōu)良。因此，在超臨界鍋爐中，采用內(nèi)壁噴丸的TP347H是完全可行的，并且是一種經(jīng)濟(jì)、安全、便捷的方法。

4 結(jié)語

筆者通過對不同材料及不同服役時間的不銹鋼鋼管進(jìn)行試驗和分析，得出以下結(jié)論：

(1) 在超超臨界狀態(tài)下，TP347H及S30432經(jīng)噴丸處理后抗蒸汽氧化性能優(yōu)于TP347HFG；在超超臨界狀態(tài)下，內(nèi)壁噴丸的S30432抗蒸汽氧化性能優(yōu)于HR3C；在超臨界鍋爐中，采用內(nèi)壁噴丸TP347H鋼管是合理、可靠的選擇。

(2) 試驗研究結(jié)果及實際應(yīng)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。