金属管状电热元件制造对金属管力学性能的影响

潘林锋，孙爱平

（1.江苏特种设备安全监督检验研究院无锡分院， 江苏 无锡214100）

（2.无锡博睿奥克电气有限公司， 江苏 无锡 214100）

承压设备电加热器由承压设备容器以及电加热器元件组成。其中，电加热器中关键部位为金属管状电热元件，作为电加热器的发热单元往往与介质直接接触，金属管制造的好坏直接决定了整台设备的安全性能及寿命。金属管状电热元件由金属管、矿物绝缘材料、发热体组成，其结构形式见图1[1]。一般情况下，制造过程中需通过缩管机械压缩减径将矿物绝缘填充材料密实处理以获得良好的导热性能。金属管在外力作用下受挤压拉伸变形，有时还需要在保护气氛下热处理（电加热制造业内称为“发黑”或“发绿”）。不恰当的制造工艺会引起金属管表面产生裂纹，如图2所示。同时，对于电加热压力容器，金属管与管板之间往往采用氩弧焊方法连接。为此本文对金属管制造过程中对金属管的力学性能和晶间腐蚀性能的影响进行研究。

图1 金属管状电热元件的一般结构形式

图2 非承压段金属管表面裂纹

1 金属管状电热元件用金属管材料选用

金属管状电热元件用金属管选用的一般原则：耐腐蚀、耐高温、易成形（拉伸、弯曲）、可焊接。

在工业实践中，金属管材质多为奥氏体不锈钢（304、321、316L、310S、NASH840等），镍基合金（800、600等）。无缝钢管和焊接钢管均可采用。焊接钢管的制造应采用不添加填充金属的自动电熔焊接方法制造。

当采用焊条电弧焊、钨极气体保护焊等焊接方法，将金属管状电热元件金属管与承压设备受压部件永久连接时，应依据NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》进行有关的焊接工艺评定。

当电加热器与容器构成特种设备目录管辖的压力容器产品，金属管状电加热元件用金属管的材料也应符合相应安全技术规范和标准要求。当金属管状电加热元件在制造过程中，金属管经过了减径缩管冷成形，冷成形后的材料性能也应满足安全技术规范和标准要求。

2 金属管状电热元件制造过程中的缩管减径和保护气氛热处理对金属管力学性能和晶间腐蚀性能的影响

2.1 试验样品及试验项目

用于制造电热元件的金属管交货状态均为固溶处理的光亮管。取800L和S31603(316L)材质的焊接钢管φ14×1×1500mm各一支。首先截取500mm，将余料1000mm经过缩管机减径缩管至φ12mm后，组号1的800L管长度为1100mm，组号2的316L管长度为1095mm。在φ12mm管上截取500mm两支，取其中一支经保护气氛炉热处理（炉内温度1050℃），见表1。800L材料缩管减径后的截面收缩率为6.74%，伸长率为10%。316L材料缩管减径后的截面收缩率为8.01%，伸长率为9.5%。

表1 试样编号表

2.2 力学性能及晶间腐蚀试验

对上述试样分别取样进行室温下拉伸试验（ASME SA370 ISO6507-1），检测抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、硬度；依据ASTM试验标准，试件均在675℃温度下敏化处理1.5h后，晶间腐蚀试验。其试验结果见表2和表3。

表2 800L管子试验结果

从表2可以看出800L材料缩管减径前后的变化：抗拉强度提高约24%，屈服强度提高约212%，断后伸长率降低约76%，硬度提高约103%；800L材料缩管减径再经保护气氛热处理后，力学性能指标与原材料金属管指标相近。从表3可以看出，316L材料缩管减径前后的变化：抗拉强度提高约30%，屈服强度提高约219%，断后伸长率降低约60%，硬度提高约110%。316L材料缩管减径再经保护气氛热处理后，力学性能指标与原材料金属管指标相近。

表3 316L管子试验结果

2.3 金相检验

由于存在冷加工变形，奥氏体可能会转变成马氏体[2]，依据GB/T 13298-2015，使用UM-200型金相显微镜，分别对上面2组总计6个试样做钢管镶嵌截面金相（100×），所有显微组织基本为奥氏体，如图3所示。

图3 金相图片（100×）

2.4 铁素体检测

考虑缩管减径对不锈钢的冷作强化，缩管减径后的两种材料管子试样分别进行仪器法和金相法检测铁素体。

2.4.1 800L缩管减径至φ12mm管（编号：1-2）铁素体检测

使用型号为FMP-30铁素体检测仪未检测到铁素体。腐蚀后，金相显微镜下未观察到铁素体，见图4。

2.4.2 316L缩管减径至φ12mm管（编号：2-2）铁素体检测

图4 800L缩管减径φ12，100×金相

使用型号为FMP-30铁素体检测仪，检测到铁素体含量约0.17%。腐蚀后，金相显微镜下观察到铁素体，见图5。

图5 316L缩管减径φ12

3 结论

金属管状电热元件制造环节中的缩管减径，属于冷加工，对金属管有轧制形变和拉伸形变共同作用。缩管减径引起的截面收缩率及伸长率均不超过10%，但对金属管抗拉强度和屈服强度均有加强，断后伸长率下降，硬度增大，容易造成金属管表面产生裂纹。同时，对于承压设备电加热设备用金属管状电加热元件金属管材料的力学性能断后伸长率不满足安全技术规范TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的基本要求[3]。缩管减径对晶间腐蚀性能无影响，金相观察未见马氏体转变，仅316L材料有少量铁素体。

金属管状电加热元件经保护气氛炉中热处理，对恢复在制造过程中因为缩管减径引起的金属管抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和硬度指标有显著作用，材料的力学性能满足相应材料标准和安全技术规范TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的基本要求。因此对于承压设备电加热设备用金属管状电加热元件需要在缩管减径后，进行热处理确保力学性能得到满足。