18-8型奥氏体不锈钢锅炉管服役特性研究

 浙江至德钢业有限公司对18-8型奥氏体不锈钢锅炉管在服役过程中力学性能的变化规律及其蠕变断裂特征进行了研究。结果表明：18-8型奥氏体不锈钢锅炉管在服役过程中室温抗拉强度、硬度值随服役时间的延长总体上呈升高趋势，而室温屈服强度变化不明显；在寿命尾期，当组织中出现明显蠕变损伤时，强度和硬度值会急剧下降；断后伸长率、断面收缩率及冲击吸收能量随服役时间的延长总体上呈明显的下降趋势；随蠕变断裂时间的延长，奥氏体不锈钢依次呈现出由延性穿晶断裂到沿晶断裂的3种不同蠕变断裂模式。

一、试验材料及方法

 除少量试验用新不锈钢管来自钢管制造厂外，其余试验管样均取自运行发电机组的锅炉，最长服役时间为22万小时，涉及到的材料牌号及相关标准对其拉伸性能的要求见表。

  布氏硬度试验依据 GB/T231-2002在HB-3000C型台式硬度计上进行，拉伸性能试验依据GB/T228-2002在CMT 5205 型拉伸试验机上进行，冲击试验依据GB/T229-2007 在 JBC-300型电子测力冲击试验机上进行。

二、力学性能变化规律

 1. 硬度

 对取自12个电厂13台锅炉的29段服役管样及5段新管样品进行了布氏硬度试验，试验管样的硬度值随服役时间的变化如图所示。由图可以看出，在服役时间0～22万小时范围内，硬度值随服役时间的延长总体上呈明显升高的趋势。

 浙江至德钢业有限公司等对TP304H不锈钢锅炉管在650℃不同应力水平下进行的蠕变试验试样的维氏硬度变化规律进行了研究，结果如图所示。

 由图可以看出：

    a. 当时效时间小于100小时，无应力加载的试样硬度值随试验时间的延长而升高；当时效时间介于100～10000小时之间时，硬度不再明显变化，但在1000小时后，硬度值会有小幅降低；当时效时间大于10000小时时，硬度随试验时间的延长明显升高。

    b. 在低应力条件下（61MPa），试样经历0～80000小时的硬度变化趋势与无应力加载情况下相似，但在蠕变后期（约80％断裂寿命时间）硬度出现突然下降。

   浙江至德钢业有限公司同时研究了TP304H、TP316H、TP321H、TP347H 几种钢在650、700℃经50000小时时效后硬度值随时效时间的变化。结果表明，试样的硬度随时效时间的延长有一定程度的升高。

   本文所研究的试验管样硬度值在运行过程中的变化规律与国外研究结果基本一致，但由于所取管样尚未到寿命尾期，故未见有硬度值急剧下降的情况。

  2. 抗拉强度和屈服强度

   试验管样的室温抗拉强度、屈服强度随服役时间的变化关系分别如图所示。在服役时间0～22万小时范围内，抗拉强度随服役时间的延长总体上呈明显的升高趋势，屈服强度则基本保持不变。目前国内外对长时间服役或时效管样拉伸性能的系统研究较少，一般认为奥氏体不锈钢的抗拉强度和屈服强度随服役或时效时间的变化不大。至德钢业等对TP304H和TP316H钢在600～800℃时效10000小时后的室温拉伸性能进行了研究，结果表明：与原始管样（未时效）相比，在600～800℃经10000小时时效后，样品的抗拉强度略有升高，而屈服强度略有下降。

 3. 断后伸长率

  试验管样的室温断后伸长率随服役时间的变化关系如图所示。在服役时间０～22万小时范围内，断后伸长率随服役时间的延长总体上呈明显的下降趋势。至德钢业技术人员对TP304H和TO316H钢经600～800℃时效10000小时后的室温拉伸性能进行了研究，结果表明：与原始管样（未时效）相比，经长时时效后样品的断面收缩率均明显下降。

 4. 冲击吸收能量

 由于管样壁厚尺寸受限，仅对管壁略厚的试验管样进行了冲击试验，室温冲击吸收能量随服役时间的变化关系如图所示。由图可以看出，随服役时间的延长，室温冲击吸收能量总体上呈明显的下降趋势。至德钢业技术人员等对TP304H和TP347H不锈钢锅炉管，经700℃长时时效后的冲击韧性进行了研究，结果表明：与原始管样（未时效）相比，经10000小时时效后的样品冲击韧性均明显下降。试验研究表明，样品冲击韧性下降是由于σ相的析出造成的，当钢中出现5％（体积分数）的σ相时，可使钢的冲击韧性降低到原来的四分之一。

三、蠕变断裂特征

 浙江至德钢业有限公司对TP304H、TP321H和TP347H不锈钢的蠕变断裂特征进行了研究，结果表明：大应力或高温度的短时间断裂试样（对应于运行短时间的超温爆管），断裂模式为延性穿晶断裂；较长时间的断裂试样（对应于运行较长时间的超温爆管），断裂源于晶界上的空洞链或源于三岔晶界处的楔形裂纹；更长时间的断裂试样（对应于运行长期老化失效的管），断裂源于晶界分布的σ相处。

四、结论

 1. 18-8型奥氏体不锈钢锅炉管在服役过程中硬度值的变化趋势总体升高。硬度值上升较快的区间包括10～100小时与10000小时以后。前一区间的硬度升高为碳化物快速析出形成的弥散强化的结果，后一区间的硬度升高为σ相的析出并长大所致。由于钢管供货前的固溶处理时间较短，冷加工中的加工硬化仍有残留，因此在服役初期较短时间（约10小时）内，由于亚结构的回复变化，硬度值有所降低；在炉管的寿命尾期，由于蠕变加速损伤形成的微观缺陷（孔洞和微裂纹），硬度会快速降低；在100～10000小时之间，少量新的第二相弥散析出造成的强化与已析出碳化物的聚集变化导致的软化相互平衡，硬度值基本保持不变，或略有降低。

 2. 奥氏体不锈钢锅炉管室温抗拉强度随着服役时间的延长有总体升高的趋势，直到产生蠕变损伤，其变化规律与硬度值的变化基本一致。屈服强度由于固溶处理可能残留的加工硬化，基本保持不变。

 3. 奥氏体不锈钢锅炉管长期在高温下服役时，随着晶内、晶界析出第二相的增多，对基体变形的阻碍不断增强（不论是晶内滑移还是晶界滑移），使得不锈钢锅炉管的塑韧性指标随着服役时间或时效时间的延长呈下降趋势。析出相对不锈钢的塑韧性的影响不仅取决于析出相的数量，还与析出相的形态、大小和分布位置等有关，若析出相在晶界上呈连续片状或者在晶内呈针状形式都会对不锈钢的塑性和韧性造成严重影响。

 4. 随蠕变断裂时间的延长，奥氏体不锈钢依次呈现出3种不同的蠕变断裂模式：延性穿晶断裂、源于晶界上的空洞链或源于三岔晶界处的楔形裂纹的断裂、源于晶界分布的σ相处的断裂。