金屬管狀電熱元件制造對金屬管力學(xué)性能的影響

潘林鋒，孫愛平

（1.江蘇特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無錫分院， 江蘇 無錫214100）

（2.無錫博睿奧克電氣有限公司， 江蘇 無錫 214100）

承壓設(shè)備電加熱器由承壓設(shè)備容器以及電加熱器元件組成。其中，電加熱器中關(guān)鍵部位為金屬管狀電熱元件，作為電加熱器的發(fā)熱單元往往與介質(zhì)直接接觸，金屬管制造的好壞直接決定了整臺(tái)設(shè)備的安全性能及壽命。金屬管狀電熱元件由金屬管、礦物絕緣材料、發(fā)熱體組成，其結(jié)構(gòu)形式見圖1[1]。一般情況下，制造過程中需通過縮管機(jī)械壓縮減徑將礦物絕緣填充材料密實(shí)處理以獲得良好的導(dǎo)熱性能。金屬管在外力作用下受擠壓拉伸變形，有時(shí)還需要在保護(hù)氣氛下熱處理（電加熱制造業(yè)內(nèi)稱為“發(fā)黑”或“發(fā)綠”）。不恰當(dāng)?shù)闹圃旃に嚂?huì)引起金屬管表面產(chǎn)生裂紋，如圖2所示。同時(shí)，對于電加熱壓力容器，金屬管與管板之間往往采用氬弧焊方法連接。為此本文對金屬管制造過程中對金屬管的力學(xué)性能和晶間腐蝕性能的影響進(jìn)行研究。

圖1 金屬管狀電熱元件的一般結(jié)構(gòu)形式

圖2 非承壓段金屬管表面裂紋

1 金屬管狀電熱元件用金屬管材料選用

金屬管狀電熱元件用金屬管選用的一般原則：耐腐蝕、耐高溫、易成形（拉伸、彎曲）、可焊接。

在工業(yè)實(shí)踐中，金屬管材質(zhì)多為奧氏體不銹鋼（304、321、316L、310S、NASH840等），鎳基合金（800、600等）。無縫鋼管和焊接鋼管均可采用。焊接鋼管的制造應(yīng)采用不添加填充金屬的自動(dòng)電熔焊接方法制造。

當(dāng)采用焊條電弧焊、鎢極氣體保護(hù)焊等焊接方法，將金屬管狀電熱元件金屬管與承壓設(shè)備受壓部件永久連接時(shí)，應(yīng)依據(jù)NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進(jìn)行有關(guān)的焊接工藝評定。

當(dāng)電加熱器與容器構(gòu)成特種設(shè)備目錄管轄的壓力容器產(chǎn)品，金屬管狀電加熱元件用金屬管的材料也應(yīng)符合相應(yīng)安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)金屬管狀電加熱元件在制造過程中，金屬管經(jīng)過了減徑縮管冷成形，冷成形后的材料性能也應(yīng)滿足安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 金屬管狀電熱元件制造過程中的縮管減徑和保護(hù)氣氛熱處理對金屬管力學(xué)性能和晶間腐蝕性能的影響

2.1 試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)項(xiàng)目

用于制造電熱元件的金屬管交貨狀態(tài)均為固溶處理的光亮管。取800L和S31603(316L)材質(zhì)的焊接鋼管φ14×1×1500mm各一支。首先截取500mm，將余料1000mm經(jīng)過縮管機(jī)減徑縮管至φ12mm后，組號(hào)1的800L管長度為1100mm，組號(hào)2的316L管長度為1095mm。在φ12mm管上截取500mm兩支，取其中一支經(jīng)保護(hù)氣氛爐熱處理（爐內(nèi)溫度1050℃），見表1。800L材料縮管減徑后的截面收縮率為6.74%，伸長率為10%。316L材料縮管減徑后的截面收縮率為8.01%，伸長率為9.5%。

表1 試樣編號(hào)表

2.2 力學(xué)性能及晶間腐蝕試驗(yàn)

對上述試樣分別取樣進(jìn)行室溫下拉伸試驗(yàn)（ASME SA370 ISO6507-1），檢測抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、硬度；依據(jù)ASTM試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試件均在675℃溫度下敏化處理1.5h后，晶間腐蝕試驗(yàn)。其試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。

表2 800L管子試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出800L材料縮管減徑前后的變化：抗拉強(qiáng)度提高約24%，屈服強(qiáng)度提高約212%，斷后伸長率降低約76%，硬度提高約103%；800L材料縮管減徑再經(jīng)保護(hù)氣氛熱處理后，力學(xué)性能指標(biāo)與原材料金屬管指標(biāo)相近。從表3可以看出，316L材料縮管減徑前后的變化：抗拉強(qiáng)度提高約30%，屈服強(qiáng)度提高約219%，斷后伸長率降低約60%，硬度提高約110%。316L材料縮管減徑再經(jīng)保護(hù)氣氛熱處理后，力學(xué)性能指標(biāo)與原材料金屬管指標(biāo)相近。

表3 316L管子試驗(yàn)結(jié)果

2.3 金相檢驗(yàn)

由于存在冷加工變形，奧氏體可能會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體[2]，依據(jù)GB/T 13298-2015，使用UM-200型金相顯微鏡，分別對上面2組總計(jì)6個(gè)試樣做鋼管鑲嵌截面金相（100×），所有顯微組織基本為奧氏體，如圖3所示。

圖3 金相圖片（100×）

2.4 鐵素體檢測

考慮縮管減徑對不銹鋼的冷作強(qiáng)化，縮管減徑后的兩種材料管子試樣分別進(jìn)行儀器法和金相法檢測鐵素體。

2.4.1 800L縮管減徑至φ12mm管（編號(hào)：1-2）鐵素體檢測

使用型號(hào)為FMP-30鐵素體檢測儀未檢測到鐵素體。腐蝕后，金相顯微鏡下未觀察到鐵素體，見圖4。

2.4.2 316L縮管減徑至φ12mm管（編號(hào)：2-2）鐵素體檢測

圖4 800L縮管減徑φ12，100×金相

使用型號(hào)為FMP-30鐵素體檢測儀，檢測到鐵素體含量約0.17%。腐蝕后，金相顯微鏡下觀察到鐵素體，見圖5。

圖5 316L縮管減徑φ12

3 結(jié)論

金屬管狀電熱元件制造環(huán)節(jié)中的縮管減徑，屬于冷加工，對金屬管有軋制形變和拉伸形變共同作用?？s管減徑引起的截面收縮率及伸長率均不超過10%，但對金屬管抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有加強(qiáng)，斷后伸長率下降，硬度增大，容易造成金屬管表面產(chǎn)生裂紋。同時(shí)，對于承壓設(shè)備電加熱設(shè)備用金屬管狀電加熱元件金屬管材料的力學(xué)性能斷后伸長率不滿足安全技術(shù)規(guī)范TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的基本要求[3]?？s管減徑對晶間腐蝕性能無影響，金相觀察未見馬氏體轉(zhuǎn)變，僅316L材料有少量鐵素體。

金屬管狀電加熱元件經(jīng)保護(hù)氣氛爐中熱處理，對恢復(fù)在制造過程中因?yàn)榭s管減徑引起的金屬管抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率和硬度指標(biāo)有顯著作用，材料的力學(xué)性能滿足相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)和安全技術(shù)規(guī)范TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的基本要求。因此對于承壓設(shè)備電加熱設(shè)備用金屬管狀電加熱元件需要在縮管減徑后，進(jìn)行熱處理確保力學(xué)性能得到滿足。