S30432奧氏體不銹鋼鍋爐管內(nèi)噴丸工藝研究

王伯文

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司， 山西 太原 030008）

內(nèi)壁高溫氧化腐蝕是超（超）臨界電站鍋爐管失效的主要因素之一，為提高鍋爐管的使用壽命，滿足越來越高的蒸汽溫度要求，目前采取的措施有使用抗腐蝕性能更好的材料、改進(jìn)材料組織性能、采用技術(shù)手段對(duì)表面進(jìn)行處理等。鋼管內(nèi)壁噴丸處理是最為有效、經(jīng)濟(jì)的表面處理手段之一（見圖1），可細(xì)化鋼管表層晶粒，形成高密度位錯(cuò)、層錯(cuò)等結(jié)構(gòu)硬化層，為Cr元素提供良好的擴(kuò)散路徑，縮小Fe元素與Cr元素的擴(kuò)散速度差，在高溫下形成致密的Cr氧化膜層。鋼管通過內(nèi)噴丸處理工藝改進(jìn)抗氧化性能的方法，此方法正在國(guó)內(nèi)外電站行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用。

圖1 鋼管內(nèi)壁噴丸強(qiáng)化處理示意圖

SA213M S30432奧氏體不銹鋼鍋爐管由于其優(yōu)良的高溫蠕變及高溫抗氧化性能，是目前超（超）臨界鍋爐過熱器和再熱器等高溫部件的主要材料。本文研究的S30432奧氏體不銹鋼鍋爐管由某鋼廠制造，已在國(guó)內(nèi)主要鍋爐制造企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

1 原理分析

鍋爐管通過內(nèi)噴丸處理提升抗氧化性能的主要機(jī)理為：

1）Fe與Cr擴(kuò)散速度的差別是影響表層氧化膜構(gòu)成的重要因素。在超（超）臨界電站鍋爐管600℃工作環(huán)境下形成的高溫氧化膜主要由Fe3O4和（Fe，Cr）3O4構(gòu)成，與 Fe2+和 Fe3+相比，Cr3+向氧化膜/氣體界面擴(kuò)散的速度慢的多，距氧化膜/基體界面越遠(yuǎn)，Cr濃度越小，導(dǎo)致氧化膜最外層基本為鐵氧化物，鐵氧化物不斷生長(zhǎng)并剝落，導(dǎo)致內(nèi)壁腐蝕的加速[1]。Cr的擴(kuò)散主要通過短路擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)，內(nèi)噴丸處理可細(xì)化表層晶粒，形成高密度位錯(cuò)、層錯(cuò)結(jié)構(gòu)，增加晶界、亞晶界等短路擴(kuò)散通道，提高Cr擴(kuò)散通量（見圖2），形成富Cr氧化物層，改變表層氧化膜構(gòu)成，降低腐蝕速率。

圖2 鋼管內(nèi)壁噴丸層Cr元素?cái)U(kuò)散通道示意圖

2）在含有水蒸汽的高溫氧化環(huán)境中，F(xiàn)e-Cr合金氧化進(jìn)程被顯著加速，主要原因是氧化膜表面吸附的水蒸汽分子與來自內(nèi)外層氧化界面的Fe離子反應(yīng)，生成FeO和游離的氫，氫可顯著加速鐵鉻氧化膜分解[2]。經(jīng)過噴丸處理，原始氧化膜層均勻致密，可減緩H2O與鐵鉻氧化物的反應(yīng)速率。

由上分析可得出，鍋爐管內(nèi)噴丸層有效深度越大、原始氧化膜層越致密、晶粒越均勻細(xì)化，耐高溫腐蝕性能越好。

目前對(duì)鋼管內(nèi)噴丸層的深度、顯微組織、耐蝕性等性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的主要方法有金相法和顯微硬度法[3]，本文采用兩種方法對(duì)S30432鍋爐管通過不同的內(nèi)噴丸工藝得到的樣管進(jìn)行研究，以選取較合理的工藝，改進(jìn)內(nèi)噴丸層質(zhì)量。

1 工藝設(shè)計(jì)

所采用的噴丸設(shè)備基本參數(shù)為：設(shè)計(jì)最大工作壓力1.4 MPa，噴丸流量10～20 kg/min，噴槍自動(dòng)進(jìn)給速度 20～100cm/min；噴丸行進(jìn)小車速度 0.2～3m/min；丸材質(zhì)為專用304不銹鋼丸，顆粒Φ0.3mm～Φ0.7mm。

噴丸對(duì)象為Φ51 mm×11 mm S30432奧氏體不銹鋼鍋爐管，經(jīng)過熱擠壓和冷軋成型，內(nèi)表面潔凈無缺陷（見圖3）；噴丸后內(nèi)表面潔凈無機(jī)械損傷，噴丸層均勻（見圖4）。

圖3 鋼管內(nèi)噴丸前內(nèi)表面狀態(tài)

圖4 鋼管內(nèi)噴丸后內(nèi)表面狀態(tài)

設(shè)計(jì)了不同的噴丸工藝進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)試工作壓力、噴槍進(jìn)給速度、彈丸流量、噴丸次數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。對(duì)效果較好的試樣進(jìn)行金相法檢驗(yàn)和截面硬度曲線分析，驗(yàn)證噴丸層深度和硬度變化值是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 噴丸試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

2 檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1603—2016《奧氏體不銹鋼鍋爐管內(nèi)壁噴丸層質(zhì)量檢驗(yàn)及驗(yàn)收技術(shù)條件》，使用維氏顯微硬度計(jì)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)載荷為1.96 N，加載時(shí)間為10～15 s。

檢驗(yàn)位置及測(cè)點(diǎn)數(shù)量：橫向環(huán)狀試樣隨機(jī)劃出時(shí)鐘3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)和12點(diǎn)的4個(gè)檢驗(yàn)位置（或者圓周 0°、90°、180°、270°），噴丸層在距離內(nèi)壁表面 60 μm處進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)檢測(cè)位置至少測(cè)量3個(gè)顯微硬度值，取其平均值作為該位置的硬度值；基體金屬在二分之一壁厚處進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，至少測(cè)量3個(gè)數(shù)值，取其平均值。

表2 噴丸硬度（HV0.2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（HV0.2）

根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，工作壓力、噴槍進(jìn)給速度、彈丸流量、噴丸次數(shù)等工藝參數(shù)對(duì)噴丸層的顯微硬度增加均有影響。逐項(xiàng)進(jìn)行分析，彈丸流量和噴丸次數(shù)的影響最為顯著；噴槍工作壓力的影響較小；噴槍進(jìn)給速度的影響較為不明顯。

對(duì)比不同工藝參數(shù)下試樣噴丸效果，3-2和4-2試樣效果最好。在其他參數(shù)相同的情況下，4-2試樣進(jìn)行了3次噴丸，對(duì)生產(chǎn)效率有一定影響。

用金相法檢測(cè)3-2試樣有效噴丸層深度，結(jié)果見圖5；用顯微硬度曲線法檢測(cè)3-2試樣有效噴丸層深度，取樣位置及結(jié)果見下頁圖6、7和表3[4]。

圖5 金相法測(cè)量噴丸層深度

圖6 單個(gè)試樣噴丸層顯微硬度檢驗(yàn)取樣位置（×200）

圖7 單個(gè)試樣噴丸層顯微硬度檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1603—2016《奧氏體不銹鋼鍋爐管內(nèi)壁噴丸層質(zhì)量檢驗(yàn)及驗(yàn)收技術(shù)條件》，對(duì)奧氏體不銹鋼鍋爐管內(nèi)噴丸層性能的要求為：采用金相法測(cè)得的有效噴丸層深度不小于70 μm；采用硬度曲線法測(cè)得的有效噴丸層深度不小于60 μm；在噴丸管同一橫截面距離內(nèi)壁表面60 μm深度處，沿時(shí)鐘方向3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)、12點(diǎn)四個(gè)位置（或者圓周0°、90°、180°、270°）測(cè)得的硬度值（HV）與基體金屬硬度值相比較的增加值應(yīng)不小于100，且4個(gè)位置硬度值間的差值不大于50。對(duì)于S30432鋼管，噴丸層60 μm處的硬度應(yīng)不小于280。

由上可得3-2試樣的有效噴丸層深度為176 μm（金相法）/171 μm（顯微硬度法），噴丸層 60 μm 處的硬度達(dá)到364，噴丸效果較好，各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果較好地滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 分析和結(jié)論

通過以上對(duì)比試驗(yàn)及分析，對(duì)S30432奧氏體不銹鋼鍋爐管的內(nèi)噴丸工藝可得出以下結(jié)論：

1）工作壓力、噴槍進(jìn)給速度、彈丸流量、噴丸次數(shù)等工藝參數(shù)對(duì)噴丸層的顯微硬度增加均有影響，其中彈丸流量和噴丸次數(shù)的影響最為顯著。

表3 單個(gè)試樣噴丸層顯微硬度（HV0.2）檢驗(yàn)結(jié)果

2）對(duì)于Φ51 mm×11 mm規(guī)格的產(chǎn)品，采用適中的工作壓力和噴槍進(jìn)給速度，較高的彈丸流量，兩次噴丸可得到較好的噴丸層性能；更多的噴丸次數(shù)可得到更好的效果，但會(huì)顯著降低生產(chǎn)效率，并不是必要的。

3）噴槍進(jìn)給速度和噴丸次數(shù)是影響噴丸生產(chǎn)效率的主要參數(shù)，適當(dāng)提高噴槍進(jìn)給速度、增加噴丸次數(shù)可提升生產(chǎn)效率，同時(shí)保證噴丸層質(zhì)量；反之降低噴槍進(jìn)給速度、減少噴丸次數(shù)會(huì)對(duì)噴丸層質(zhì)量不利，不建議采用。