直接電阻加熱式局部熱處理在雙相鋼U形管中的應(yīng)用

朱 勃,朱 偉,李玉海

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 前 言

雙相不銹鋼(DUPLEX STAINLESS STEEL)是α+γ組織, 故兼有奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼的特性, 與前兩者相比, 其韌性高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低, 耐晶間腐蝕性能和焊接性能顯著提高。同時(shí), 保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)高、膨脹系數(shù)小、具有超塑性等特性;與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度顯著提高, 且耐晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等性能有明顯改善, 費(fèi)效比好[1]。利用雙相鋼的這些特性，已在化工、石化、造紙、油、氣等工業(yè)及其他氯化物環(huán)境中得到應(yīng)用。

某海上采油平臺(tái)的原油加熱器(CRUDE HEATER)設(shè)計(jì)采用S31803(SA 789)雙相鋼無(wú)縫管制造U形換熱管，以滿足在殘留氯化物介質(zhì)中工作20年的要求。在評(píng)估彎管后整體熱處理及局部熱處理的優(yōu)劣后，決定采用直接電阻加熱式局部熱處理，U形管技術(shù)要求：

1、尺寸?19.05 mm，名義壁厚1.65 mm；

2、U形部分彎曲半徑：最小38.10 mm，最大342.9 mm；

3、冷彎成形后檢查U形彎區(qū)無(wú)撕裂、無(wú)疤痕、無(wú)褶皺等缺陷，壁厚減薄量不超過(guò)名義壁厚的15%，壓扁量不超過(guò)名義壁厚的10%；

4、U形管彎曲成型后連同兩端至少300 mm直管段進(jìn)行固溶處理。固溶處理后每批次U形管，取樣檢測(cè)：直管段的力學(xué)性能(拉伸、擴(kuò)口、壓扁和微觀硬度)；檢測(cè)弧形段和熱處理溫度過(guò)渡段(600 ℃～900 ℃)的鐵素體含量、化學(xué)成份、微觀硬度、微觀金相等；

5、對(duì)U形管的檢查和驗(yàn)收除滿足ASME SA789外，還需要：

?按ASTM E562檢測(cè)鐵素體含量應(yīng)在35-55%；

?按ASTM G48 A法在25 ℃±1 ℃腐蝕24小時(shí)不得出現(xiàn)點(diǎn)蝕，按(腐蝕前質(zhì)量(g)-腐蝕后質(zhì)量(g))/試樣表面積(m2)計(jì)算腐蝕率<4 g/m2;

?按ASTM A923 A法微觀金相不得出現(xiàn)中間相和析出物。

σ相是不銹鋼、耐熱鋼等高合金鋼中經(jīng)常出現(xiàn)的一種金屬間相，尤其是不銹鋼。由于它屬于四方結(jié)構(gòu)，硬度高達(dá)HV 900～1 000[2]，鋼中出現(xiàn)少量的σ相就會(huì)使鋼的韌性和塑性急劇下降[3]，此外σ相的析出使其周圍貧鉻、貧鉬，從而降低抗蝕性[4]。如何盡量避免U形管加熱區(qū)特別是溫度過(guò)渡段(600 ℃～900 ℃)出現(xiàn)σ相[4]，是保證U形管抗腐蝕性能和其他性能的關(guān)鍵。

1 U形管彎管工藝

U形管彎制前的直管以固溶態(tài)供貨，其實(shí)測(cè)化學(xué)成份和力學(xué)性能如表1和表2所示。在多次模擬試驗(yàn)后采取弧形模具冷彎成形。

表1 S31803化學(xué)成份要求

表2 S31803鋼管性能要求

冷彎后的U形管按如下工藝實(shí)施局部固溶處理：

采用直接電阻加熱式實(shí)施熱處理，為減小溫度過(guò)渡段(600 ℃～900 ℃)的范圍，對(duì)電極內(nèi)部采用水冷冷卻。

熱處理溫度應(yīng)滿足ASME SA789表2允許的范圍，通過(guò)借鑒相關(guān)研究成果，擬控制在1 020 ℃～1 050 ℃[5,6]，保溫5～10 s，使用光學(xué)高溫儀對(duì)內(nèi)外圓弧的中心線位置檢測(cè)和控制加熱溫度及過(guò)程。

在保溫結(jié)束后立即浸水冷卻避免進(jìn)入S31803材料的σ相析出區(qū)域(如圖1)[4]，從開始加熱至冷卻完畢控制在2 min之內(nèi)。

圖1 S31803冷卻速度與σ相析出關(guān)系示意

整個(gè)加熱過(guò)程中管內(nèi)使用流動(dòng)純氮?dú)獗Ｗo(hù)，外表面氧化層酸洗去除。

2 U形管局部熱處理工藝驗(yàn)證

待使用的管材化學(xué)成分及各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足SA 789的規(guī)定。其中屈服強(qiáng)度最低、延伸率最小和硬度最高的三批見(jiàn)表2，此外各批次管材按項(xiàng)目要求檢測(cè)：鐵素體含量在40%～50%之間；腐蝕試樣表面未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕，腐蝕率在0.005～0.287 g/m2之間；微觀金相中未見(jiàn)中間相或析出物，典型金相見(jiàn)圖4和圖5。經(jīng)外觀檢查、超聲波檢查和水壓試驗(yàn)驗(yàn)證均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 U形管局部熱處理實(shí)施

圖3 U形管溫度過(guò)渡段(600 ℃～900 ℃)位置確認(rèn)

圖4 直管縱剖面金相1(X400)

圖5 直管縱剖面金相2(X400)

抽取表1中三批直管按既定的工藝?yán)鋸澲磷钚澒馨霃?，局部熱處理?見(jiàn)圖2、圖3)按照項(xiàng)目要求進(jìn)行檢查、檢測(cè)，驗(yàn)證冷管及局部熱處理工藝是否可用。

考慮熱處理保溫結(jié)束后至浸水冷卻的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間對(duì)性能的影響，另外在試樣3同支管材上另截取一件試樣將保溫時(shí)間設(shè)置為10s,其他試樣保溫時(shí)間設(shè)置為5 s。

2.1 尺寸和外觀

外觀檢查及內(nèi)窺鏡檢查U形管內(nèi)外表面，未發(fā)現(xiàn)撕裂、傷疤、褶皺等缺陷。尺寸檢查確認(rèn)彎管區(qū)壓扁量小于項(xiàng)目要求。超聲波壁厚測(cè)量和縱切試樣厚度檢查，確認(rèn)弧形外壁的壁厚減薄量在要求范圍內(nèi)。

2.2 表面無(wú)損檢查和水壓試驗(yàn)

經(jīng)7 MPa水壓10 s U型管無(wú)泄漏。U形段及兩端相鄰300 mm以上直管段經(jīng)滲透檢查未發(fā)現(xiàn)線性缺陷及>1 mm的圓形缺陷。

2.3 弧形段和過(guò)渡段化學(xué)成份

按ASTM A751標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)弧形段和過(guò)渡段的化學(xué)成份，確認(rèn)其與彎管前無(wú)明顯差別。

2.4 直管段力學(xué)性能

熱處理后的直管段進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、壓扁、擴(kuò)口和微觀硬度，其結(jié)果均符合ASME SA789和項(xiàng)目要求。工藝驗(yàn)證試樣的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，數(shù)據(jù)記錄如表3。相比彎管前直管其屈服強(qiáng)度降低，延伸率略有降低，硬度略有提高。

表3 直管段力學(xué)性能

熱處理保溫時(shí)間變化(5 s和10 s)對(duì)被一同加熱的直管段的力學(xué)性能無(wú)明顯影響。

2.5 過(guò)渡段微觀硬度

試樣在過(guò)渡段位置橫切，檢測(cè)端面HV10硬度，試驗(yàn)中硬度最小236 HV10，最大244 HV10。不論保溫時(shí)間5s或10s相較彎管前硬度略有提高。

2.6 弧形段和過(guò)渡段微觀金相

按ASTM A923在短時(shí)(5 s)保溫工藝驗(yàn)證件的弧形段內(nèi)、外圓縱和過(guò)渡段分別取樣，經(jīng)磨拋其縱剖面并經(jīng)40%NaOH電解液腐蝕后，顯微鏡觀察未發(fā)現(xiàn)中間相或析出物，相間的邊界是光滑的，浸蝕組織屬未受影響組織。相較直管沿軋制方向明顯的板條狀金相組織，熱處理后金相組織方向不明顯(見(jiàn)圖6、圖7)。

圖6 弧形段內(nèi)、外圓縱剖面金相(X400)

圖7 過(guò)渡段縱剖面金相(X400)

長(zhǎng)時(shí)(10 s)保溫試樣的金相中未發(fā)現(xiàn)中間相或析出物，但在內(nèi)圓縱剖面中金相組織出現(xiàn)異常長(zhǎng)大,見(jiàn)圖8,圖9。

圖8 10 s保溫內(nèi)、外圓縱剖面金相(X500)

圖9 10 s保溫過(guò)渡段縱剖面金相(X500)

2.7 弧形段和過(guò)渡段鐵素體含量

對(duì)2.6節(jié)的金相試塊，按ASTM E562人工逐點(diǎn)計(jì)數(shù)法測(cè)量鐵素體含量。短時(shí)保溫(5s)試樣弧形段內(nèi)、外圓縱切剖面和過(guò)渡段縱切剖面的鐵素體含量分別在43%～54.7%、43%～50%和42%～54%，均在項(xiàng)目要求范圍內(nèi)(35%～55%)。

而長(zhǎng)時(shí)保溫(10s)試樣的三個(gè)位置的鐵素體含量分別為54%，63%和51%，其中弧形段外圓處的鐵素體含量超過(guò)項(xiàng)目要求值(見(jiàn)圖10)。

圖10 過(guò)渡段鐵素體檢測(cè)(X400)

2.8 弧形段和過(guò)渡段氯化物腐蝕試驗(yàn)

按ASTM G48 A法將從弧形段和過(guò)渡段切取試塊，每一個(gè)單獨(dú)浸入600 ml濃度6%的三氯化鐵(FeCl3)腐蝕液中，在25 ℃±1 ℃腐蝕24小時(shí)，放大20倍檢查試塊表面，各個(gè)試塊未見(jiàn)點(diǎn)蝕的情況，稱量腐蝕前后試塊質(zhì)量計(jì)算腐蝕率，其中短時(shí)保溫(5s)試樣弧形段在0.490～1.920 g/m2，過(guò)渡段在0.043～0.444 g/m2，而長(zhǎng)時(shí)保溫(10 s)試樣弧形段在0.96 g/m2，過(guò)渡段在0.430 g/m2(見(jiàn)圖11)。

圖11 腐蝕試驗(yàn)后試樣

3 驗(yàn)證結(jié)論

綜合上述各項(xiàng)檢查、檢驗(yàn)情況， S31803鋼管在冷彎后，經(jīng)直接電阻加熱法在1 030 ℃～1 050 ℃實(shí)施固溶處理，保溫5 s并浸水冷卻后，U型管加熱區(qū)金相組織和鐵素體比例均能很好的滿足要求，屈服強(qiáng)度、延伸率、硬度及腐蝕率雖相比直管略有變化，但完全滿足標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目要求。

但實(shí)踐中應(yīng)注意，由于U形管各部位電阻不同，特別是內(nèi)、外弧電阻差別更大，電阻加熱時(shí)U形各部位發(fā)熱量是不同的，而固定的測(cè)溫儀測(cè)量位置也不能全面反映各處的加熱溫度。而過(guò)長(zhǎng)的保溫時(shí)間(10 s)時(shí)內(nèi)弧的過(guò)度長(zhǎng)大的金相組織也說(shuō)明內(nèi)弧處溫度已超過(guò)預(yù)定的1 050 ℃[6]。

W=I2Rt

(1)

實(shí)際在產(chǎn)品制造前應(yīng)該根據(jù)U形管材質(zhì)、規(guī)格和彎管弧度的不同分別進(jìn)行工藝驗(yàn)證，而產(chǎn)品制造應(yīng)嚴(yán)格按照驗(yàn)證后的工藝參數(shù)執(zhí)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

U形管的局部固溶處理避免了整體爐內(nèi)熱處理造成的變形，減少了矯正工作量。同時(shí)冷彎變形處的應(yīng)力集中也得到了緩解。此次工藝驗(yàn)證工作及后續(xù)產(chǎn)品的實(shí)施為作者所從事行業(yè)逐步引入雙相鋼替代價(jià)格高昂的鎳基合金、鈦合金等提供借鑒。