蒸發(fā)和冷凝器用008Cr27Mo不銹鋼管的性能評(píng)析

彭生爐 符長(zhǎng)平 郭奕文

（1.遠(yuǎn)大空調(diào)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410138；2.先進(jìn)儲(chǔ)能材料國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205；3.湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415100）

0 引言

008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼焊管經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)和工藝處理后能夠在海水環(huán)境中、在Cl-含量高的化工行業(yè)、電廠冷凝器、空調(diào)設(shè)備換熱器中持續(xù)性運(yùn)行，具有一定的延伸性[1]。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)008Cr27Mo 焊管的研究比較早，經(jīng)過(guò)多年的研究應(yīng)用，008Cr27Mo 焊管被應(yīng)用于沿海發(fā)電機(jī)組的整體流程運(yùn)行中，對(duì)化工行業(yè)的發(fā)展有重要的推動(dòng)作用，也正是008Cr27Mo 焊管的應(yīng)用，使鋼管的總長(zhǎng)度得到了一個(gè)極大的提升。008Cr27Mo 焊管具有穩(wěn)定的性能優(yōu)勢(shì)，它可以替代很多物質(zhì)在鋼管中的應(yīng)用，降低了其他資源的利用率，對(duì)貴金屬資源的利用起到了一個(gè)很好的調(diào)節(jié)作用。

008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼的許多優(yōu)點(diǎn)，使不銹鋼材料的應(yīng)用從300 系列轉(zhuǎn)向400 系列，從而使008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼得到更廣泛的推廣。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)介紹

008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼具有很好的穩(wěn)定性，它所包括的金屬離子比較多，其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示，008Cr27Mo鐵素體不銹鋼包括的化學(xué)成份也比較多，具體內(nèi)容如表2 所示。在整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，C、N 2 種元素之間存在一定的空間間隙，因?yàn)檫@種間隙的存在，使不銹鋼的脆性和溫度導(dǎo)性發(fā)生了改變，使其用途受到了極大的限制。經(jīng)過(guò)這幾年科學(xué)技術(shù)的逐漸提升，不銹鋼精煉技術(shù)水平越來(lái)越成熟，使鐵素體不銹鋼中C、N 元素含量明顯降低，不銹鋼的性能也在逐步完善，提高了其使用效率。當(dāng)鐵素體不銹鋼中C、N 含量低于一定程度時(shí)，其具有的性能優(yōu)勢(shì)，例如耐腐蝕性和焊接性都會(huì)有很好的體現(xiàn)。該文對(duì)008Cr27Mo 不銹鋼焊管的機(jī)械、物理、耐腐蝕性能等進(jìn)行了研究，為008Cr27Mo 焊接管在化工、發(fā)電廠、換熱設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的參考[2]。

表1 008Cr27Mo 焊管的綜合性能

表2 008Cr27Mo 焊管的主要化學(xué)成份

1.2 晶間腐蝕試驗(yàn)

按照ASTM A763-Y 法要求進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)[3-5]，分別對(duì)008Cr27Mo、022Cr17Ni12Mo2、S31803 以編號(hào)的方式進(jìn)行排樣，做好試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作，最終的測(cè)試腐蝕數(shù)據(jù)如表3 所示。

從表3 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：008Cr27Mo 的腐蝕率只有S31803 的25%，022Cr17Ni12Mo2 的10%。

表3 晶間腐蝕試驗(yàn)表

通過(guò)金相顯微鏡觀察008Cr27Mo、022Cr17Ni12Mo2、S31803 3種材料晶間腐蝕前后金相，可發(fā)現(xiàn)，022Cr17Ni12Mo2 和S31803 之間存在一定的連接性，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都差不多，晶粒的黏附性高，使表面腐蝕性增大，容易在表面形成腐蝕坑。

1.3 點(diǎn)蝕對(duì)比試驗(yàn)

采用ASTM G48-C 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)008Cr27Mo、022Cr 17Ni12Mo2、TA2、S31803 進(jìn)行點(diǎn)蝕對(duì)比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件：恒溫65 ℃，72h。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 點(diǎn)蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

不銹鋼具有一定分化性，從表中數(shù)據(jù)筆者可以看出，受不同金屬離子的影響，在不同溶液中不銹鋼的腐蝕程度是不一樣的，在不銹鋼的結(jié)構(gòu)組成中，對(duì)金屬離子的聚集程度是有一定區(qū)別的，其中Cl-是最容易聚集的一種離子，它的黏合程度比較高，當(dāng)這些離子聚集在一起過(guò)多時(shí)，會(huì)使局部區(qū)域的電位逐漸降低，損壞外側(cè)的鈍化膜，將鋼的金屬體裸露在外，形成一個(gè)腐蝕節(jié)點(diǎn)[6-7]。

008Cr27Mo、022Cr17Ni12Mo22、TA2、S31803 4 種試樣的點(diǎn)蝕形貌圖分別如圖1～圖4 所示。

從圖1～圖4 的腐蝕形貌結(jié)果來(lái)看，008Cr27Mo 焊管與TA2 鈦管的腐蝕率相近，大約只有022Cr17Ni12Mo2、S31803的0.1%左右，從試驗(yàn)樣品上分析：022Cr17Ni12Mo2 在邊緣的位置其腐蝕程度是最為嚴(yán)重的[8]，這反應(yīng)了一個(gè)事實(shí)情況，022Cr17Ni12Mo2 的邊緣腐蝕效應(yīng)比較突出，對(duì)邊緣腐蝕是一個(gè)階段性的過(guò)程，一般是管口連接處最先被腐蝕。S31803 的表面結(jié)構(gòu)中，腐蝕呈向下趨勢(shì)，也是較為突出的，但是008Cr27Mo 與鈦管的表面都沒(méi)有形成明顯的腐蝕痕跡，說(shuō)明整體性能指標(biāo)是優(yōu)于其他2 種的。

圖1 008Cr27Mo 點(diǎn)腐蝕形貌

圖4 S31803 點(diǎn)腐蝕形貌

1.4 均勻腐蝕試驗(yàn)

在不同的腐蝕酸溶液中，06Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2、008Cr27Mo 腐蝕率數(shù)據(jù)如表5 所示。

從表5 中的數(shù)據(jù)筆者可以看出，在不同介質(zhì)溶液中[9]，鐵素體不銹鋼都表現(xiàn)出了極好的性能優(yōu)勢(shì)，其整體抗腐蝕性是非常好的。

表5 均勻腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 008Cr27Mo 不銹鋼焊管接接頭的物理、機(jī)械性能

2.1 008Cr27Mo 物理性能

通過(guò)查閱相關(guān)資料，比較碳鋼、06Cr19Ni10、008Cr27Mo物理性能如下表6 所示。

表6 不同材料的性能比較

圖2 022Cr17Ni12Mo22 點(diǎn)腐蝕形貌

2.2 008Cr27Mo 不銹鋼焊管接頭的抗振性能

008Cr27Mo 不銹鋼焊管具有很好的結(jié)構(gòu)性?xún)?yōu)勢(shì)，特別是在接頭的地方，基于結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)，接頭的彈性模量和剛性相對(duì)來(lái)說(shuō)都是比較好的，對(duì)外界因素的抵御性也非常高，比較它材料都要好。表7 數(shù)據(jù)主要是多種材料抗振破壞所要求最小鋼管厚度標(biāo)準(zhǔn)。

表7 各種材料按抗振破壞所要求最小鋼管厚度

上述數(shù)據(jù)可見(jiàn)，008Cr27Mo 不銹鋼焊管接頭按抗振破壞所要求最小鋼管厚度的尺寸最小。

圖3 TA2 點(diǎn)腐蝕形貌

2.3 機(jī)械性能

008Cr27Mo 不銹鋼焊管接頭在不同溫度下其延伸性不同，主要變化指標(biāo)如表8 所示，這種變化指標(biāo)可以滿(mǎn)足多種熱交換器的交互需求。在調(diào)控壓力時(shí)，筆者可以降低斷面的整體厚度，對(duì)成本管控效果也是相對(duì)比較理想的。將008Cr27Mo 不銹鋼焊接接頭的運(yùn)行溫度控制在一個(gè)合理的范圍，預(yù)設(shè)最高溫度閥值和最低溫度閥值，從而有效減少因?yàn)闇囟炔▌?dòng)幅度過(guò)大引起的脆化危險(xiǎn)。

表8 008Cr27Mo 不銹鋼焊管接頭高溫機(jī)械性能

在海水條件下，008Cr27Mo、TA2、90-10Cu/Ni、AL6XN性能比較結(jié)果見(jiàn)表9。表明008Cr27Mo 不銹鋼焊管在海水作介質(zhì)的應(yīng)用環(huán)境中，性能優(yōu)良。

表9 不同材料性能比較

2.4 耐磨損性能比較試驗(yàn)

以海水為冷卻介質(zhì)，在冷卻蒸發(fā)過(guò)程中，海水中富含的物質(zhì)成分比較多，容易引起銅管磨損的情況，針對(duì)此，上海電力學(xué)院的梁磊教授做了關(guān)于不同管材料的耐磨性性能對(duì)比試驗(yàn)，主要包括008CR27Mo 鐵素體不銹鋼管、鈦管TA2、白銅管BFe30-1-1[10]。

本次磨損試驗(yàn)中，所采用的試驗(yàn)裝置都是自主研發(fā)的裝置，其中試驗(yàn)介質(zhì)的配比控制在一個(gè)合理的范圍，模擬海水中加入必要的介質(zhì)成分，將各種介質(zhì)的濃度差調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)[11]。將預(yù)設(shè)的材料準(zhǔn)備好，在本次試驗(yàn)過(guò)程中，主要有4 種材料，筆者將這些材料制造成管樣，經(jīng)過(guò)一系列標(biāo)準(zhǔn)化流程處理。將管樣裝入需要試驗(yàn)的裝置中，管樣的中心線(xiàn)與旋轉(zhuǎn)切線(xiàn)保持同水平狀態(tài)，控制中心點(diǎn)線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)速度，有一個(gè)旋轉(zhuǎn)時(shí)間控制，達(dá)到預(yù)期時(shí)間節(jié)點(diǎn)才能取出管樣，然后經(jīng)過(guò)干燥處理之后進(jìn)行稱(chēng)重[12]。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，其耐磨損性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)構(gòu)如表10 所示。

表10 海水凝汽器4 種常見(jiàn)管材的耐磨性能比較試驗(yàn)結(jié)果

從表10 可知，在含砂海水中，凝汽器4 種常用管材的耐磨性能從高到低，依次為鐵素體不銹鋼管008Cr27Mo、鈦管TA2、白銅管BFe30-1-1 和BFe10-1-1。

3 008Cr27Mo 不銹鋼管的其他特點(diǎn)和使用效果的顯著變化

008Cr27Mo 不銹鋼管的其他特點(diǎn)和使用效果具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）鋼管的焊縫銜接需要經(jīng)過(guò)冷軋?zhí)幚?，?duì)焊縫的重組，需要在高溫預(yù)熱下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的熱處理才能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的有效銜接；2）基于鋼管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在表面結(jié)構(gòu)受酸化處理之后，不會(huì)出現(xiàn)明顯的劃痕和凸坑，表面的顏色基本都是呈銀白色；3）鋼管的直徑公差0.08 mm,每103mm鋼管的長(zhǎng)度公差-0 mm～+3 mm；4）不同管材在含砂海水中的耐磨性程度不同，基于結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)差異，具有一定的分化性。5）海水凝汽器單位換熱面積的管材費(fèi)用比較高，采用費(fèi)用排序，由高到低：超純奧氏體不銹鋼AL-6XN →白銅管BFe30-1-1 →鈦管→超純奧氏體不銹鋼254SMo →白銅管BFe10-1-1 →鐵素體不銹鋼焊管。 鐵素體不銹鋼管具有很好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)性能[12]。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼焊管的綜合性能、工藝性能的分析，對(duì)比蒸發(fā)和冷凝常用的奧氏體不銹鋼等材料的相關(guān)試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：1）008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼管的力學(xué)性能、工藝性能和耐腐蝕性能均較好。2）008Cr27Mo的焊接接頭具有一定的溫度適應(yīng)性，可以滿(mǎn)足一定范圍內(nèi)的溫度變化需求，而且接頭的彈性模量和剛性高，使抗振疲勞損壞的性能高于其他同類(lèi)型材料。