江 平, 董 猛, 曾 輝, 劉洪杰

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司， 四川自貢 643001)

奧氏體耐熱鋼S30432因其良好的高溫長時綜合性能在超超臨界鍋爐高溫部件中得以廣泛使用。但近年來，由于在極少數(shù)電廠出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象[1-2]，有關(guān)其晶間腐蝕的問題引起了部分電廠關(guān)注，要求鍋爐制造廠在對S30432鋼管進(jìn)行入廠驗收時，采用ASTM A262-13 《奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性的檢測規(guī)程》或GB/T 4334—2008 《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》的硫酸-硫酸銅法檢驗其晶間腐蝕敏感性。

上述兩個標(biāo)準(zhǔn)要求在晶間腐蝕試驗前對超低碳鋼和穩(wěn)定化鋼種進(jìn)行675 ℃保溫1 h或650 ℃保溫2 h的敏化處理，而大量試驗結(jié)果顯示，S30432鋼管敏化后再進(jìn)行硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗，有部分材料抗晶間腐蝕性能無法通過驗收，但其他各項性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其可否在鍋爐上安全應(yīng)用值得考慮。筆者就S30432鋼是否需要在晶間腐蝕試驗前敏化處理進(jìn)行探討。

1 S30432的應(yīng)用部件及應(yīng)用環(huán)境

1.1 晶間腐蝕產(chǎn)生條件

晶間腐蝕是一種常見的沿著金屬的晶粒邊界或它的臨近區(qū)域發(fā)生的局部腐蝕。材料發(fā)生晶間腐蝕后，晶粒之間的結(jié)合能力大為削弱，雖然外觀上沒有明顯變化，但是金屬的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能大幅度降低甚至喪失，會造成設(shè)備的突然損壞，其隱蔽性很強(qiáng)、危害性極大[3]。

奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的產(chǎn)生必須同時具備兩個條件：一是晶粒與晶界的電化學(xué)性質(zhì)不同，由晶界貧鉻造成，Cr-Ni奧氏體不銹鋼經(jīng)固溶處理后交貨，此時碳在鋼中處于過飽和狀態(tài)，在后期的加工制造和使用過程中，若不銹鋼經(jīng)過450～850 ℃的敏化加熱，則過飽和的碳向晶界擴(kuò)散，與晶界附近的元素Cr形成碳化物Cr23C6并析出，導(dǎo)致晶界周圍的基體中Cr濃度降低，形成貧鉻區(qū)；二是有能夠顯示晶粒、晶界電化學(xué)不均勻性的腐蝕介質(zhì)，在特定的腐蝕介質(zhì)中，晶界附近貧鉻區(qū)因電位下降而活化，晶粒本身維持鈍態(tài)，形成“小陽極-大陰極”的腐蝕電池，導(dǎo)致貧鉻區(qū)優(yōu)先溶解而產(chǎn)生晶間腐蝕。

1.2 應(yīng)用環(huán)境

S30432鋼管主要用于鍋爐高溫過熱器和再熱器部件。部件正常運(yùn)行時受熱面溫度在600 ℃左右，正好處于鋼管的敏化區(qū)間，其外部是高溫?zé)煔?，?nèi)部是高溫高壓蒸汽，應(yīng)用工況下并不具備產(chǎn)生晶間腐蝕的腐蝕介質(zhì)條件，故通常要求材料具有較高的蠕變強(qiáng)度、高溫抗蒸汽氧化能力和抗煤灰腐蝕能力。

僅就電站鍋爐運(yùn)行時的工況和環(huán)境而言，沒有導(dǎo)致晶間腐蝕的腐蝕介質(zhì)條件。S30432在早期的超超臨界機(jī)組中成功使用，也并未出現(xiàn)問題。因此，把通過敏化后晶間腐蝕試驗作為強(qiáng)制要求，是對材料的過度要求，是不合理的也是非常不經(jīng)濟(jì)的。

2 S30432材料及標(biāo)準(zhǔn)要求

2.1 S30432的成分設(shè)計特點

S30432是在18-8型不銹鋼的基礎(chǔ)上，加入了元素Cu、Nb、N和B等元素，用于超超臨界鍋爐高溫受熱面的奧氏體耐熱鋼，ASME SA-213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》規(guī)定了其成分，見表1。

表1 S30432的化學(xué)成分要求 %

在鋼管服役期運(yùn)行時，Cu形成細(xì)小而彌散的富銅相沉淀于奧氏體基體內(nèi)產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化以及NbC、NbN、NbCrN和M23C6的強(qiáng)化作用，提高了材料在使用時的組織穩(wěn)定性，保證了高溫下材料具有較高的強(qiáng)度和抗蠕變性能。雖然添加了一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Nb，其可作為穩(wěn)定化元素與C形成碳化物，但S30432中的w(Nb)/w(C)小于10，不能完全防止晶間腐蝕[4]，也不滿足GB/T 21433—2008 《不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗》對穩(wěn)定化不銹鋼的要求。由于S30432是針對鍋爐高溫過熱器和再熱器部件用材而開發(fā)的，在服役過程中不具有產(chǎn)生晶間腐蝕的介質(zhì)條件，因此在材料設(shè)計上并不考慮其晶間腐蝕性能。

可見，S30432的成分設(shè)計特點是提高材料的高溫性能，而非專門的抗晶間腐蝕能力。它是一種奧氏體耐熱鋼，而非耐腐蝕的奧氏體不銹鋼。

2.2 不同標(biāo)準(zhǔn)對S30432晶間腐蝕的驗收要求

S30432作為鍋爐用材，其理化性能應(yīng)滿足相關(guān)鍋爐材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，如ASME SA-213、GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》以及GB/T 16507.2—2013 《水管鍋爐 第2部分：材料》等。但在這些標(biāo)準(zhǔn)中，晶間腐蝕項目均為選擇項，而非強(qiáng)制規(guī)定(見表2)，這也進(jìn)一步說明該材料是不銹耐熱而非專門的耐腐蝕不銹鋼。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)對于S30432晶間腐蝕的要求

3 S30432原材料驗收原則

3.1 晶間腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)的敏化條件

雖然S30432是一種奧氏體耐熱鋼，但在對其進(jìn)行原材料驗收時，由供需雙方協(xié)商需進(jìn)行晶間腐蝕試驗的，目前常用的晶間腐蝕標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A262-13或GB/T 4334—2008，兩個標(biāo)準(zhǔn)的E法皆為硫酸-硫酸銅法，均要求對超低碳和穩(wěn)定化鋼種進(jìn)行敏化處理(見表3)。按照ASME SA-213規(guī)定的S30432化學(xué)成分(見表1)，其碳含量顯然不屬于超低碳范疇。而對于穩(wěn)定化鋼種，標(biāo)準(zhǔn)ASME SA-941《與鋼、不銹鋼、相關(guān)合金和鐵合金有關(guān)的術(shù)語》和GB/T 21433—2008 《不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗》均給出了明確的釋義(見表4)。

表3 檢驗晶間腐蝕敏感性的敏化制度

表4 穩(wěn)定化鋼種的標(biāo)準(zhǔn)釋義

按照穩(wěn)定化鋼種的釋義，雖然S30432鋼管添加了Nb，但ASME SA-213并未規(guī)定w(Nb)與w(C)構(gòu)成乘數(shù)關(guān)系。經(jīng)計算，w(Nb)/w(C)=2.3～8.6，不能全部達(dá)到質(zhì)量百分比在5.8以上時對晶間腐蝕的抑制作用[5]，可以認(rèn)為S30432不是完全的穩(wěn)定化鋼種。

3.2 驗收

S30432既不是超低碳不銹鋼，又不是完全的穩(wěn)定化鋼種，不滿足晶間腐蝕試驗的敏化條件。同時，作為專門規(guī)定不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗要求和規(guī)則的GB/T 21433—2008，其第7.1.3節(jié)為：固溶狀態(tài)供貨的高碳非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼壓力加工材一般在固溶狀態(tài)檢驗。因而S30432應(yīng)以供貨狀態(tài)，即固溶狀態(tài)進(jìn)行硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗更合適。

考慮到鍋爐從制造到安裝有一個較長的時間周期(制造、運(yùn)輸、存儲等)，可能會具備晶間腐蝕條件：部件制造過程中的焊后熱處理溫度處于敏化溫度范圍，鍋爐運(yùn)輸和現(xiàn)場存放時可能接觸到腐蝕介質(zhì)等?？蓪30432鋼管經(jīng)敏化后的晶間腐蝕試驗結(jié)果作為一個參考性指標(biāo)，提示鍋爐制造廠和電廠在鍋爐部件制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場存放和運(yùn)行時，對未通過敏化后晶間腐蝕試驗的鋼管更加注意防護(hù)，避免腐蝕環(huán)境和介質(zhì)對該類材料的侵蝕，但試驗結(jié)果判定應(yīng)另行規(guī)定判據(jù)，如允許敏化后再經(jīng)硫酸-硫酸銅腐蝕的S30432鋼管具有一定的腐蝕深度。

4 S30432晶間腐蝕的預(yù)防

雖然有學(xué)者提出通過控制元素C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.07%～0.08%，以提高S30432鋼管的抗晶間腐蝕性能[6]，但這會大大增加鋼管的生產(chǎn)制造成本和工藝實施難度。另外，鍋爐制造廠在使用S30432鋼管進(jìn)行鍋爐部件制造時，對于經(jīng)焊后熱處理的部件再次進(jìn)行1 100 ℃的熱處理來提高S30432鋼管的抗晶間腐蝕性也是不現(xiàn)實的[7]。同時，如果在鍋爐部件的制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場存放和運(yùn)行過程中不注重防護(hù)，即便S30432原材料通過了晶間腐蝕試驗，并不意味著其一定不發(fā)生晶間腐蝕。極少數(shù)電廠鍋爐過熱器和再熱器所用S30432鋼管出現(xiàn)的晶間腐蝕開裂就與現(xiàn)場存放時的腐蝕介質(zhì)侵蝕有關(guān)。

預(yù)防晶間腐蝕的關(guān)鍵在于隔絕腐蝕介質(zhì)，同時盡可能地減少敏化的影響，可考慮從以下幾個方面著手：

(1) 鋼管表面涂刷抗?jié)B性較好的有機(jī)涂層，同時在運(yùn)輸、儲存及安裝的過程中，確保鋼管表面涂層完整性，如中間過程出現(xiàn)涂層破損，應(yīng)及時進(jìn)行修復(fù)處理。

(2) 鍋爐部件的制造過程采用局部焊后熱處理的方式，減少S30432鋼管的敏化區(qū)域。

(3) 部件運(yùn)輸、儲存及安裝期間，做好S30432鋼與其他金屬材料的隔離工作，防止露天放置及與土壤接觸，儲存期間應(yīng)盡量保證室內(nèi)存放，尤其涉及沿海大氣腐蝕環(huán)境(沿海電廠或者涉及海洋運(yùn)輸)。

(4) 起吊過程中，避免采用鋼絲繩，或者采取與其隔離的措施。

(5) 運(yùn)輸、儲存期間，保證鋼管內(nèi)壁潔凈、干燥，確保端部密封效果良好。

(6) 嚴(yán)禁用未經(jīng)處理或處理后不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的水做水壓試驗，Cl-含量應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

S30432作為奧氏體耐熱鋼，從材料設(shè)計和材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定角度講，其晶間腐蝕要求是非強(qiáng)制性的，按照穩(wěn)定化不銹鋼的要求進(jìn)行晶間腐蝕試驗是不必要也是不合理的。

S30432鋼管若需要進(jìn)行原材料晶間腐蝕試驗，應(yīng)不進(jìn)行敏化處理；若規(guī)定敏化處理后試驗，試驗結(jié)果判定應(yīng)另行規(guī)定判據(jù)。

預(yù)防S30432產(chǎn)生晶間腐蝕的關(guān)鍵，在于有效隔絕能夠產(chǎn)生晶間腐蝕的介質(zhì)，在對應(yīng)鍋爐部件的制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場存放和運(yùn)行過程中采取合適的防護(hù)措施。