喷丸处理对188型奥氏体耐热钢抗蒸汽氧化性能的影响

杨首恩， 杨华春， 刘盛波

(东方电气集团东方锅炉股份有限公司， 四川自贡 643001)

为了提高发电效率、减少CO2排放量，锅炉蒸汽参数在不断提高，对锅炉材料性能的要求也就越高。这不仅要求材料具有较高的蠕变断裂强度，而且也要具备更好的抗氧化性能。在我国超临界、超超临界机组中，喷丸处理是提高18-8型奥氏体耐热钢管抗蒸汽氧化性能的途径之一，喷丸管也在超临界、超超临界锅炉过热器和再热器系统上得到广泛应用[1]。钢管内壁喷丸处理是将高速弹丸喷向钢管内壁表面，使其表层在弹丸的射击下发生塑性变形而强化，形成一定厚度的喷丸硬化层，硬化层经多次循环塑性变形发生晶粒破碎、晶格歪曲、高密度位错、奥氏体转变为马氏体等变化[2-4]。

在超超临界锅炉中，凡是进行了喷丸处理的钢管，在服役过程中，管子内壁生成的氧化膜非常薄，内壁氧化膜脱落情况不明显。凡是未进行内壁喷丸处理的钢管，在一些机组上都出现过钢管内壁氧化膜脱落，出现这类问题的钢管的服役时间大约为1万h，最短服役时间为0.5万h。这些机组在长期运行过程中，为了防止钢管内壁氧化膜脱落给机组运行带来安全隐患，须定期检查相关弯头部位的氧化膜堆积情况，堆积严重处要割下弯头进行清理。

笔者通过对不同情况得到的18-8型奥氏体耐热钢管进行检测分析和抗蒸汽氧化性能试验研究，以确定喷丸奥氏体耐热钢管抗蒸汽氧化性能的实际效果。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料的来源及类型见表1。

1.2 试验方法

利用金相显微镜、X射线衍射(XRD)仪、扫描电子显微镜及能谱仪(EDS)对试验材料管内壁氧化膜特性进行检测分析；并对TP347HFG、喷丸S30432及喷丸TP347H这3种钢管进行在650 ℃、27 MPa超超临界蒸汽参数下的氧化试验。

表1 试验材料

2 试验结果

2.1 服役钢管检测

2.1.1 喷丸管

3种喷丸处理后的锅炉高温再热器管在不同服役时间后的内壁氧化膜横截面形貌及喷丸层硬度见图1。从图1可看出：管内表层微观组织形貌与原管组织有较大差异，内壁存在明显的喷丸层，喷丸层区域硬度比基体高60HV0.2以上，内壁氧化膜非常薄，厚度小于5 μm。

图1 3种喷丸管服役后氧化膜形貌及硬度

2.1.2 未喷丸管

4种未喷丸处理的锅炉高温再热器管在不同服役时间后的内壁氧化膜横截面形貌见图2。

从图2可看出：未经喷丸处理的奥氏体耐热钢在服役过程中，都将在内壁形成2层或2层以上的氧化膜，其氧化膜外层结构非常疏松、多孔、易脱落。

图2 4种未喷丸管服役后氧化膜形貌及厚度

2.2 蒸汽氧化试验

2.2.1 氧化动力学关系

S8、S9和S10在650 ℃、27 MPa的蒸汽参数下氧化膜厚度(hoxide)与时间(t)的关系见图3。

图3 3种奥氏体耐热钢氧化膜厚度与时间的关系

TP347HFG的氧化速率较大，喷丸S30432、喷丸TP347H在2 000 h内，试样表面大部分区域只形成了很薄的氧化物，只在局部形成了较厚的岛状氧化物，因此无法准确测得氧化膜厚度与时间的关系，仅测得局部岛状氧化物厚度与时间的关系。

2.2.2 氧化膜形貌

S8、S9和S10在650 ℃、27 MPa的蒸汽参数下氧化2 000 h后的氧化膜形成情况见表2，氧化膜横截面形貌见图4。

TP347HFG表面为双层氧化膜，内外层氧化膜界面上存在明显孔洞；喷丸TP347H和喷丸S30432氧化膜横截面形貌类似，其氧化膜很薄，只有局部区域生长出较厚的岛状氧化物，且最大厚度仅在20 μm左右。

表2 氧化膜形成情况

图4 3种奥氏体耐热钢氧化膜形貌

2.2.3 氧化膜物相

利用XRD仪及EDS对S8、S9和S10在650 ℃、27 MPa的蒸汽参数下氧化2 000 h后氧化物结构进行分析，具体见图5、图6。

图5 3种奥氏体耐热钢氧化膜的XRD图谱

图6 3种奥氏体耐热钢氧化膜物相结构

3 结果分析

提高188型奥氏体耐热钢管抗蒸汽氧化性能的常规途径有整体细晶粒化处理和内壁喷丸处理，两者原理类似：前者经细晶粒化处理后钢的晶粒变细、晶界密度增加，高密度的晶体缺陷和晶界都为Cr原子提供了向氧化前沿扩散的快速通道，从而提高钢管抗蒸汽氧化性能；后者使钢管内表面喷丸后形成的碎化晶层有高密度位错、亚结构、孪晶等晶体缺陷，成为锅炉运行初期Cr向内壁表面扩散的短路通道，加快了Cr的扩散速度，有利于在钢管内壁表面形成较多致密的Cr2O3薄膜，正是由于Cr2O3薄膜的存在才阻碍了基体金属的氧化，提高了金属自身的抗氧化性能[5-6]。

通过对上述A、B、C电厂受热面用喷丸S30432管在不同服役时间后内壁喷丸层的检测表明：喷丸S30432管在长期服役后存在明显的喷丸层，喷丸层区域硬度仍较高，且内壁氧化层厚度非常薄(见图1、图2、图3)；但是，无论是D电厂超临界机组采用的TP347HFG还是E电厂超超临界机组采用的TP347HFG、S30432这些细晶粒奥氏体耐热钢，当未进行喷丸层处理时，在服役一定时间后，管子内壁将产生明显的氧化膜，并有氧化膜脱落现象发生(见图5、图6、图7)。从这些实际应用效果看，内壁喷丸处理的抗蒸汽氧化性能完全优于钢管整体细晶粒化处理。因此，在超临界、超超临界状态下的长期运行过程中，内壁喷丸层处理的18-8型奥氏体耐热钢管具有非常优良的抗蒸汽氧化性能。

HR3C管中含Cr质量分数在24%～26%，抗高温蒸汽氧化性能优良，但通过对C电厂中服役7.2万h后HR3C及喷丸S30432管内壁微观形貌特征(见图3、图4)的检测表明：HR3C内壁存在明显的氧化层，氧化层为3层，厚度约44 μm，外层脱落明显；而喷丸S30432管内壁氧化层厚度非常薄。这表明在长期服役过程中，内壁喷丸S30432管在超超临界状态下的抗氧化性能优良，优于HR3C材料的抗氧化性能。

根据对TP347HFG、喷丸S30432及喷丸TP347H在650 ℃、27 MPa蒸汽参数下的试验和分析结果看：喷丸S30432及喷丸TP347H的抗蒸汽氧化性能远优于TP347HFG，内壁喷丸的TP347H抗蒸汽氧化性能基本上与HR3C相当。通过喷丸处理，S30432和TP347H在高温高压状态下生成了FeCr2O4和Cr2O3类富Cr氧化物，这种氧化膜具有较好的保护性，因而表现出良好的抗蒸汽氧化性能。未进行喷丸处理的TP347HFG，内壁氧化膜的外层为疏松、多孔、易脱落的Fe2O3和Fe3O4。这也表明粗晶粒的TP347H通过内壁喷丸处理，抗蒸汽氧化性能非常优良。因此，在超临界锅炉中，采用内壁喷丸的TP347H是完全可行的，并且是一种经济、安全、便捷的方法。

4 结语

笔者通过对不同材料及不同服役时间的不锈钢钢管进行试验和分析，得出以下结论：

(1) 在超超临界状态下，TP347H及S30432经喷丸处理后抗蒸汽氧化性能优于TP347HFG；在超超临界状态下，内壁喷丸的S30432抗蒸汽氧化性能优于HR3C；在超临界锅炉中，采用内壁喷丸TP347H钢管是合理、可靠的选择。

(2) 试验研究结果及实际应用表明，喷丸处理是提高18-8型奥氏体耐热钢抗蒸汽氧化性能最有效途径。