鍋爐用S30432奧氏體耐熱鋼晶間腐蝕試驗(yàn)的探討

江 平, 董 猛, 曾 輝, 劉洪杰

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司， 四川自貢 643001)

奧氏體耐熱鋼S30432因其良好的高溫長(zhǎng)時(shí)綜合性能在超超臨界鍋爐高溫部件中得以廣泛使用。但近年來，由于在極少數(shù)電廠出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象[1-2]，有關(guān)其晶間腐蝕的問題引起了部分電廠關(guān)注，要求鍋爐制造廠在對(duì)S30432鋼管進(jìn)行入廠驗(yàn)收時(shí)，采用ASTM A262-13 《奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性的檢測(cè)規(guī)程》或GB/T 4334—2008 《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》的硫酸-硫酸銅法檢驗(yàn)其晶間腐蝕敏感性。

上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求在晶間腐蝕試驗(yàn)前對(duì)超低碳鋼和穩(wěn)定化鋼種進(jìn)行675 ℃保溫1 h或650 ℃保溫2 h的敏化處理，而大量試驗(yàn)結(jié)果顯示，S30432鋼管敏化后再進(jìn)行硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗(yàn)，有部分材料抗晶間腐蝕性能無法通過驗(yàn)收，但其他各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其可否在鍋爐上安全應(yīng)用值得考慮。筆者就S30432鋼是否需要在晶間腐蝕試驗(yàn)前敏化處理進(jìn)行探討。

1 S30432的應(yīng)用部件及應(yīng)用環(huán)境

1.1 晶間腐蝕產(chǎn)生條件

晶間腐蝕是一種常見的沿著金屬的晶粒邊界或它的臨近區(qū)域發(fā)生的局部腐蝕。材料發(fā)生晶間腐蝕后，晶粒之間的結(jié)合能力大為削弱，雖然外觀上沒有明顯變化，但是金屬的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能大幅度降低甚至喪失，會(huì)造成設(shè)備的突然損壞，其隱蔽性很強(qiáng)、危害性極大[3]。

奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的產(chǎn)生必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：一是晶粒與晶界的電化學(xué)性質(zhì)不同，由晶界貧鉻造成，Cr-Ni奧氏體不銹鋼經(jīng)固溶處理后交貨，此時(shí)碳在鋼中處于過飽和狀態(tài)，在后期的加工制造和使用過程中，若不銹鋼經(jīng)過450～850 ℃的敏化加熱，則過飽和的碳向晶界擴(kuò)散，與晶界附近的元素Cr形成碳化物Cr23C6并析出，導(dǎo)致晶界周圍的基體中Cr濃度降低，形成貧鉻區(qū)；二是有能夠顯示晶粒、晶界電化學(xué)不均勻性的腐蝕介質(zhì)，在特定的腐蝕介質(zhì)中，晶界附近貧鉻區(qū)因電位下降而活化，晶粒本身維持鈍態(tài)，形成“小陽(yáng)極-大陰極”的腐蝕電池，導(dǎo)致貧鉻區(qū)優(yōu)先溶解而產(chǎn)生晶間腐蝕。

1.2 應(yīng)用環(huán)境

S30432鋼管主要用于鍋爐高溫過熱器和再熱器部件。部件正常運(yùn)行時(shí)受熱面溫度在600 ℃左右，正好處于鋼管的敏化區(qū)間，其外部是高溫?zé)煔猓瑑?nèi)部是高溫高壓蒸汽，應(yīng)用工況下并不具備產(chǎn)生晶間腐蝕的腐蝕介質(zhì)條件，故通常要求材料具有較高的蠕變強(qiáng)度、高溫抗蒸汽氧化能力和抗煤灰腐蝕能力。

僅就電站鍋爐運(yùn)行時(shí)的工況和環(huán)境而言，沒有導(dǎo)致晶間腐蝕的腐蝕介質(zhì)條件。S30432在早期的超超臨界機(jī)組中成功使用，也并未出現(xiàn)問題。因此，把通過敏化后晶間腐蝕試驗(yàn)作為強(qiáng)制要求，是對(duì)材料的過度要求，是不合理的也是非常不經(jīng)濟(jì)的。

2 S30432材料及標(biāo)準(zhǔn)要求

2.1 S30432的成分設(shè)計(jì)特點(diǎn)

S30432是在18-8型不銹鋼的基礎(chǔ)上，加入了元素Cu、Nb、N和B等元素，用于超超臨界鍋爐高溫受熱面的奧氏體耐熱鋼，ASME SA-213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》規(guī)定了其成分，見表1。

表1 S30432的化學(xué)成分要求 %

在鋼管服役期運(yùn)行時(shí)，Cu形成細(xì)小而彌散的富銅相沉淀于奧氏體基體內(nèi)產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化以及NbC、NbN、NbCrN和M23C6的強(qiáng)化作用，提高了材料在使用時(shí)的組織穩(wěn)定性，保證了高溫下材料具有較高的強(qiáng)度和抗蠕變性能。雖然添加了一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Nb，其可作為穩(wěn)定化元素與C形成碳化物，但S30432中的w(Nb)/w(C)小于10，不能完全防止晶間腐蝕[4]，也不滿足GB/T 21433—2008 《不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗(yàn)》對(duì)穩(wěn)定化不銹鋼的要求。由于S30432是針對(duì)鍋爐高溫過熱器和再熱器部件用材而開發(fā)的，在服役過程中不具有產(chǎn)生晶間腐蝕的介質(zhì)條件，因此在材料設(shè)計(jì)上并不考慮其晶間腐蝕性能。

可見，S30432的成分設(shè)計(jì)特點(diǎn)是提高材料的高溫性能，而非專門的抗晶間腐蝕能力。它是一種奧氏體耐熱鋼，而非耐腐蝕的奧氏體不銹鋼。

2.2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)S30432晶間腐蝕的驗(yàn)收要求

S30432作為鍋爐用材，其理化性能應(yīng)滿足相關(guān)鍋爐材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，如ASME SA-213、GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》以及GB/T 16507.2—2013 《水管鍋爐 第2部分：材料》等。但在這些標(biāo)準(zhǔn)中，晶間腐蝕項(xiàng)目均為選擇項(xiàng)，而非強(qiáng)制規(guī)定(見表2)，這也進(jìn)一步說明該材料是不銹耐熱而非專門的耐腐蝕不銹鋼。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于S30432晶間腐蝕的要求

3 S30432原材料驗(yàn)收原則

3.1 晶間腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的敏化條件

雖然S30432是一種奧氏體耐熱鋼，但在對(duì)其進(jìn)行原材料驗(yàn)收時(shí)，由供需雙方協(xié)商需進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)的，目前常用的晶間腐蝕標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A262-13或GB/T 4334—2008，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的E法皆為硫酸-硫酸銅法，均要求對(duì)超低碳和穩(wěn)定化鋼種進(jìn)行敏化處理(見表3)。按照ASME SA-213規(guī)定的S30432化學(xué)成分(見表1)，其碳含量顯然不屬于超低碳范疇。而對(duì)于穩(wěn)定化鋼種，標(biāo)準(zhǔn)ASME SA-941《與鋼、不銹鋼、相關(guān)合金和鐵合金有關(guān)的術(shù)語(yǔ)》和GB/T 21433—2008 《不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗(yàn)》均給出了明確的釋義(見表4)。

表3 檢驗(yàn)晶間腐蝕敏感性的敏化制度

表4 穩(wěn)定化鋼種的標(biāo)準(zhǔn)釋義

按照穩(wěn)定化鋼種的釋義，雖然S30432鋼管添加了Nb，但ASME SA-213并未規(guī)定w(Nb)與w(C)構(gòu)成乘數(shù)關(guān)系。經(jīng)計(jì)算，w(Nb)/w(C)=2.3～8.6，不能全部達(dá)到質(zhì)量百分比在5.8以上時(shí)對(duì)晶間腐蝕的抑制作用[5]，可以認(rèn)為S30432不是完全的穩(wěn)定化鋼種。

3.2 驗(yàn)收

S30432既不是超低碳不銹鋼，又不是完全的穩(wěn)定化鋼種，不滿足晶間腐蝕試驗(yàn)的敏化條件。同時(shí)，作為專門規(guī)定不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗(yàn)要求和規(guī)則的GB/T 21433—2008，其第7.1.3節(jié)為：固溶狀態(tài)供貨的高碳非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼壓力加工材一般在固溶狀態(tài)檢驗(yàn)。因而S30432應(yīng)以供貨狀態(tài)，即固溶狀態(tài)進(jìn)行硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗(yàn)更合適。

考慮到鍋爐從制造到安裝有一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間周期(制造、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等)，可能會(huì)具備晶間腐蝕條件：部件制造過程中的焊后熱處理溫度處于敏化溫度范圍，鍋爐運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)存放時(shí)可能接觸到腐蝕介質(zhì)等?？蓪30432鋼管經(jīng)敏化后的晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果作為一個(gè)參考性指標(biāo)，提示鍋爐制造廠和電廠在鍋爐部件制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)存放和運(yùn)行時(shí)，對(duì)未通過敏化后晶間腐蝕試驗(yàn)的鋼管更加注意防護(hù)，避免腐蝕環(huán)境和介質(zhì)對(duì)該類材料的侵蝕，但試驗(yàn)結(jié)果判定應(yīng)另行規(guī)定判據(jù)，如允許敏化后再經(jīng)硫酸-硫酸銅腐蝕的S30432鋼管具有一定的腐蝕深度。

4 S30432晶間腐蝕的預(yù)防

雖然有學(xué)者提出通過控制元素C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.07%～0.08%，以提高S30432鋼管的抗晶間腐蝕性能[6]，但這會(huì)大大增加鋼管的生產(chǎn)制造成本和工藝實(shí)施難度。另外，鍋爐制造廠在使用S30432鋼管進(jìn)行鍋爐部件制造時(shí)，對(duì)于經(jīng)焊后熱處理的部件再次進(jìn)行1 100 ℃的熱處理來提高S30432鋼管的抗晶間腐蝕性也是不現(xiàn)實(shí)的[7]。同時(shí)，如果在鍋爐部件的制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)存放和運(yùn)行過程中不注重防護(hù)，即便S30432原材料通過了晶間腐蝕試驗(yàn)，并不意味著其一定不發(fā)生晶間腐蝕。極少數(shù)電廠鍋爐過熱器和再熱器所用S30432鋼管出現(xiàn)的晶間腐蝕開裂就與現(xiàn)場(chǎng)存放時(shí)的腐蝕介質(zhì)侵蝕有關(guān)。

預(yù)防晶間腐蝕的關(guān)鍵在于隔絕腐蝕介質(zhì)，同時(shí)盡可能地減少敏化的影響，可考慮從以下幾個(gè)方面著手：

(1) 鋼管表面涂刷抗?jié)B性較好的有機(jī)涂層，同時(shí)在運(yùn)輸、儲(chǔ)存及安裝的過程中，確保鋼管表面涂層完整性，如中間過程出現(xiàn)涂層破損，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)處理。

(2) 鍋爐部件的制造過程采用局部焊后熱處理的方式，減少S30432鋼管的敏化區(qū)域。

(3) 部件運(yùn)輸、儲(chǔ)存及安裝期間，做好S30432鋼與其他金屬材料的隔離工作，防止露天放置及與土壤接觸，儲(chǔ)存期間應(yīng)盡量保證室內(nèi)存放，尤其涉及沿海大氣腐蝕環(huán)境(沿海電廠或者涉及海洋運(yùn)輸)。

(4) 起吊過程中，避免采用鋼絲繩，或者采取與其隔離的措施。

(5) 運(yùn)輸、儲(chǔ)存期間，保證鋼管內(nèi)壁潔凈、干燥，確保端部密封效果良好。

(6) 嚴(yán)禁用未經(jīng)處理或處理后不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的水做水壓試驗(yàn)，Cl-含量應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

S30432作為奧氏體耐熱鋼，從材料設(shè)計(jì)和材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定角度講，其晶間腐蝕要求是非強(qiáng)制性的，按照穩(wěn)定化不銹鋼的要求進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)是不必要也是不合理的。

S30432鋼管若需要進(jìn)行原材料晶間腐蝕試驗(yàn)，應(yīng)不進(jìn)行敏化處理；若規(guī)定敏化處理后試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果判定應(yīng)另行規(guī)定判據(jù)。

預(yù)防S30432產(chǎn)生晶間腐蝕的關(guān)鍵，在于有效隔絕能夠產(chǎn)生晶間腐蝕的介質(zhì)，在對(duì)應(yīng)鍋爐部件的制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)存放和運(yùn)行過程中采取合適的防護(hù)措施。