18-8型奧氏體不銹鋼鍋爐管服役特性研究

 浙江至德鋼業有限公司對18-8型奧氏體不銹鋼鍋爐管在服役過程中力學性能的變化規律及其蠕變斷裂特征進行了研究。結果表明：18-8型奧氏體不銹鋼鍋爐管在服役過程中室溫抗拉強度、硬度值隨服役時間的延長總體上呈升高趨勢，而室溫屈服強度變化不明顯；在壽命尾期，當組織中出現明顯蠕變損傷時，強度和硬度值會急劇下降；斷后伸長率、斷面收縮率及沖擊吸收能量隨服役時間的延長總體上呈明顯的下降趨勢；隨蠕變斷裂時間的延長，奧氏體不銹鋼依次呈現出由延性穿晶斷裂到沿晶斷裂的3種不同蠕變斷裂模式。

一、試驗材料及方法

 除少量試驗用新不銹鋼管來自鋼管制造廠外，其余試驗管樣均取自運行發電機組的鍋爐，最長服役時間為22萬小時，涉及到的材料牌號及相關標準對其拉伸性能的要求見表。

  布氏硬度試驗依據 GB/T231-2002在HB-3000C型臺式硬度計上進行，拉伸性能試驗依據GB/T228-2002在CMT 5205 型拉伸試驗機上進行，沖擊試驗依據GB/T229-2007 在 JBC-300型電子測力沖擊試驗機上進行。

二、力學性能變化規律

 1. 硬度

 對取自12個電廠13臺鍋爐的29段服役管樣及5段新管樣品進行了布氏硬度試驗，試驗管樣的硬度值隨服役時間的變化如圖所示。由圖可以看出，在服役時間0～22萬小時范圍內，硬度值隨服役時間的延長總體上呈明顯升高的趨勢。

 浙江至德鋼業有限公司等對TP304H不銹鋼鍋爐管在650℃不同應力水平下進行的蠕變試驗試樣的維氏硬度變化規律進行了研究，結果如圖所示。

 由圖可以看出：

    a. 當時效時間小于100小時，無應力加載的試樣硬度值隨試驗時間的延長而升高；當時效時間介于100～10000小時之間時，硬度不再明顯變化，但在1000小時后，硬度值會有小幅降低；當時效時間大于10000小時時，硬度隨試驗時間的延長明顯升高。

    b. 在低應力條件下（61MPa），試樣經歷0～80000小時的硬度變化趨勢與無應力加載情況下相似，但在蠕變后期（約80％斷裂壽命時間）硬度出現突然下降。

   浙江至德鋼業有限公司同時研究了TP304H、TP316H、TP321H、TP347H 幾種鋼在650、700℃經50000小時時效后硬度值隨時效時間的變化。結果表明，試樣的硬度隨時效時間的延長有一定程度的升高。

   本文所研究的試驗管樣硬度值在運行過程中的變化規律與國外研究結果基本一致，但由于所取管樣尚未到壽命尾期，故未見有硬度值急劇下降的情況。

  2. 抗拉強度和屈服強度

   試驗管樣的室溫抗拉強度、屈服強度隨服役時間的變化關系分別如圖所示。在服役時間0～22萬小時范圍內，抗拉強度隨服役時間的延長總體上呈明顯的升高趨勢，屈服強度則基本保持不變。目前國內外對長時間服役或時效管樣拉伸性能的系統研究較少，一般認為奧氏體不銹鋼的抗拉強度和屈服強度隨服役或時效時間的變化不大。至德鋼業等對TP304H和TP316H鋼在600～800℃時效10000小時后的室溫拉伸性能進行了研究，結果表明：與原始管樣（未時效）相比，在600～800℃經10000小時時效后，樣品的抗拉強度略有升高，而屈服強度略有下降。

 3. 斷后伸長率

  試驗管樣的室溫斷后伸長率隨服役時間的變化關系如圖所示。在服役時間０～22萬小時范圍內，斷后伸長率隨服役時間的延長總體上呈明顯的下降趨勢。至德鋼業技術人員對TP304H和TO316H鋼經600～800℃時效10000小時后的室溫拉伸性能進行了研究，結果表明：與原始管樣（未時效）相比，經長時時效后樣品的斷面收縮率均明顯下降。

 4. 沖擊吸收能量

 由于管樣壁厚尺寸受限，僅對管壁略厚的試驗管樣進行了沖擊試驗，室溫沖擊吸收能量隨服役時間的變化關系如圖所示。由圖可以看出，隨服役時間的延長，室溫沖擊吸收能量總體上呈明顯的下降趨勢。至德鋼業技術人員等對TP304H和TP347H不銹鋼鍋爐管，經700℃長時時效后的沖擊韌性進行了研究，結果表明：與原始管樣（未時效）相比，經10000小時時效后的樣品沖擊韌性均明顯下降。試驗研究表明，樣品沖擊韌性下降是由于σ相的析出造成的，當鋼中出現5％（體積分數）的σ相時，可使鋼的沖擊韌性降低到原來的四分之一。

三、蠕變斷裂特征

 浙江至德鋼業有限公司對TP304H、TP321H和TP347H不銹鋼的蠕變斷裂特征進行了研究，結果表明：大應力或高溫度的短時間斷裂試樣（對應于運行短時間的超溫爆管），斷裂模式為延性穿晶斷裂；較長時間的斷裂試樣（對應于運行較長時間的超溫爆管），斷裂源于晶界上的空洞鏈或源于三岔晶界處的楔形裂紋；更長時間的斷裂試樣（對應于運行長期老化失效的管），斷裂源于晶界分布的σ相處。

四、結論

 1. 18-8型奧氏體不銹鋼鍋爐管在服役過程中硬度值的變化趨勢總體升高。硬度值上升較快的區間包括10～100小時與10000小時以后。前一區間的硬度升高為碳化物快速析出形成的彌散強化的結果，后一區間的硬度升高為σ相的析出并長大所致。由于鋼管供貨前的固溶處理時間較短，冷加工中的加工硬化仍有殘留，因此在服役初期較短時間（約10小時）內，由于亞結構的回復變化，硬度值有所降低；在爐管的壽命尾期，由于蠕變加速損傷形成的微觀缺陷（孔洞和微裂紋），硬度會快速降低；在100～10000小時之間，少量新的第二相彌散析出造成的強化與已析出碳化物的聚集變化導致的軟化相互平衡，硬度值基本保持不變，或略有降低。

 2. 奧氏體不銹鋼鍋爐管室溫抗拉強度隨著服役時間的延長有總體升高的趨勢，直到產生蠕變損傷，其變化規律與硬度值的變化基本一致。屈服強度由于固溶處理可能殘留的加工硬化，基本保持不變。

 3. 奧氏體不銹鋼鍋爐管長期在高溫下服役時，隨著晶內、晶界析出第二相的增多，對基體變形的阻礙不斷增強（不論是晶內滑移還是晶界滑移），使得不銹鋼鍋爐管的塑韌性指標隨著服役時間或時效時間的延長呈下降趨勢。析出相對不銹鋼的塑韌性的影響不僅取決于析出相的數量，還與析出相的形態、大小和分布位置等有關，若析出相在晶界上呈連續片狀或者在晶內呈針狀形式都會對不銹鋼的塑性和韌性造成嚴重影響。

 4. 隨蠕變斷裂時間的延長，奧氏體不銹鋼依次呈現出3種不同的蠕變斷裂模式：延性穿晶斷裂、源于晶界上的空洞鏈或源于三岔晶界處的楔形裂紋的斷裂、源于晶界分布的σ相處的斷裂。