從晶間腐蝕的機理、鍋爐用TP304H奧氏體耐熱鋼特點、晶間腐蝕試驗方法等方面,闡明TP304H不銹鋼管進行原材料晶間腐蝕試驗時應不進行敏化處理;若規定敏化處理后試驗,試驗結果判定應另行規定。同時,從鍋爐制造、運輸、現場存放和運行方面提出了預防TP304H不銹鋼管晶間腐蝕的措施。

1前言

奧氏體耐熱鋼TP304H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,由于在極少數電廠出現晶間腐蝕現象,有關其晶間腐蝕的問題引起了部分電力行業業主關注。

這部分電廠業主要求鍋爐制造廠家在對TP304H不銹鋼管進行入廠驗收時,采用ASTMA262-13GB/T4334-2008的硫酸-硫酸銅法檢驗其晶間腐蝕敏感性。

上述兩個標準要求在晶間腐蝕試驗前對超低碳鋼和穩定化鋼種進行675/lh650/2h的敏化處理,而大量的試驗顯示,TP304H不銹鋼管敏化后再進行硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗,有近20%的材料不能通過,但這部分材料其它各項性能均滿足標準要求,其可否在鍋爐上安全應用,值得考慮。同時,對于TP304H鋼種是否需在晶間腐蝕試驗前進行敏化處理,鋼管廠、鍋爐廠和部分電力業主間存在分歧。本文就此進行探討。

2.TP304H的應用部件及環境

2.1晶間腐蝕產生條件

晶間腐蝕是一種常見的沿著或者緊挨著金屬的晶粒邊界發生的局部腐蝕。材料發生晶間腐蝕后,晶粒之間的結合大為削弱,雖然外觀上沒有明顯變化,但是金屬的強度、塑性等力學性能大幅度降低甚至喪失,會造成設備的突然損壞,隱蔽性很強,危害性極大。

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

2.2、TP304H的應用環境

TP304H不銹鋼管主要用于鍋爐高溫過熱器和再熱器部件。部件正常運行時受熱面溫度600℃左右,正好處于鋼管的敏化區間,其外部是高溫煙氣,內部是高溫高壓蒸汽,應用工況下并不具備產生晶間腐蝕的腐蝕介質條件,故通常要求材料具有較高的高溫持久及蠕變強度、高溫抗水蒸汽氧化能力和抗煤灰腐蝕能力。

僅就電站鍋爐運行時的工況和環境而言,無導致晶間腐蝕的腐蝕介質條件。TP304H在早期的超超臨界機組中成功使用,也并未出現問題。因此,把通過敏化后晶間腐蝕試驗作為強制要求,是對材料的過度要求,是不合理的也是非常不經濟的。

3、TP304H材料及標準要求

3.1TP304H的成分設計特點

TP304H是在18-8型不銹鋼基礎上,加入了元素Cu、Nb、NB等元素,用于超超臨界鍋爐高溫受熱面的奧氏體耐熱鋼,ASMESA-213規定了其成分,見表1。在鋼管服役期運行時,元素銅形成細小而彌散的富銅相沉淀于奧氏體基體內產生沉淀強化以及NbC、NbN、NbCrNM23C6的強化作用,提高了材料在使用時的組織穩定性及保證高溫下材料具有較高的強度和抗蠕變性能。雖然添加了一定含量的元素Nb,但易致晶間腐蝕的元素C含量較高。由于TP304H是針對鍋爐高溫過熱器和再熱器部件用材而開發的,在服役過程中不具有產生晶間腐蝕的介質條件,因此在材料設計并不考慮其晶間腐蝕性能??梢?,TP304H的成分設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。

3.2不同標準對TP304H晶間腐蝕的驗收要求

TP304H作為鍋爐用材,其理化性能應滿足相關鍋爐材料技術標準要求,如ASME SA-213,GB5310-2008以及GB/T16507.2-2013等。但在這些標準中,晶間腐蝕項目均為選擇項,而非強制規定,見表2,因此也進一步說明該材料是不銹耐熱鋼而非專門的耐腐蝕不銹鋼。

4、TP304H原材料驗收原則

4.1晶間腐蝕試驗標準的敏化條件

雖然TP304H是一種奧氏體耐熱鋼,但在對其進行原材料驗收時,由供需雙方協商需進行晶間腐蝕試驗的,目前常用的晶間腐蝕標準為ASTM A262-13GB/T4334-2008,兩個標準的E法皆為硫酸一硫酸銅法,均要求對超低碳和穩定化鋼種進行敏化處理。

按照ASMESA-213規定的TP304H化學成分,其碳含量顯然不屬于超低碳范疇。而對于穩定化鋼種,標準ASMESA-941《與鋼、不銹鋼、相關合金和鐵合金有關的術語》和GB/T21433-2008《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。

按照穩定化鋼種的釋義,雖然TP304H不銹鋼管添加了元素Nb,但ASMESA-213并未規定其含量與碳含量構成乘數關系。經計算,Nb/C的質量百分比介于2.3~8.6,不能全部達到抑制晶間腐蝕5.8Nb/C含量比要求[4],可以認為,TP304H不是完全的穩定化鋼種。

4.2TP304H原材料的驗收

TP304H既不是超低碳不銹鋼,又不是完全的穩定化鋼種,不滿足晶間腐蝕試驗的敏化條件。同時,作為專門規定不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗要求和規則的GB/T21433-2008,其第7.1.3為:固溶狀態供貨的高碳非穩定化奧氏體不銹鋼壓力加工材一般在固溶狀態檢驗。因而,TP304H應以供貨狀態,即固溶態進行硫酸-硫酸銅晶間腐蝕試驗更合適。

考慮到鍋爐從制造到安裝,期間有一個較長的時間周期(制造、運輸、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,鍋爐運輸和現場存放時可能接觸到腐蝕介質等??蓪?/span>TP304H不銹鋼管經敏化后的晶間腐蝕試驗結果作為一個參考性指標,提示鍋爐制造廠家和電廠在鍋爐部件制造、運輸、現場存放和運行時,對未通過敏化后晶間腐蝕試驗的鋼管,更加注意防護,避免腐蝕環境和介質對該類材料的侵蝕,但試驗結果判定應另行規定判據,如允許敏化后再經硫酸-硫酸銅腐蝕的TP304H不銹鋼管具有一定的腐蝕深度。

5.TP304H晶間腐蝕的預防

雖然有學者提出通過控制元素C的質量分數在0.07~0.08%之間,以提高TP304H不銹鋼管的抗晶間腐蝕性能5],但會大大增加鋼管的生產制造成本和工藝實施難度。另外,鍋爐制造廠家在使用TP304H不銹鋼管進行鍋爐部件制造時,對于經焊后熱處理的部件再次進行1100℃的熱處理來提高TP304H不銹鋼管的抗晶間腐蝕性也是不現實的。于此同時,如果在鍋爐部件的制造、運輸、現場存放和運行過程中不注重防護措施,即便TP304H原材料通過了晶間腐蝕試驗,并不意味著其一定不發生晶間腐蝕。文獻報道的極少數電廠的鍋爐過熱器和再熱器所用TP304H不銹鋼管出現晶間腐蝕開裂就與現場存放時的腐蝕介質侵蝕有關。

預防晶間腐蝕的關鍵在于隔絕腐蝕介質,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)鋼管表面涂刷抗滲性較好的有機涂層,同時在運輸、儲存及安裝的過程中,確保鋼管表面涂層完整性。如中間過程出現涂層破損,應及時進行修復處理;

2)鍋爐部件的制造過程采用局部焊后熱處理的方式,減少TP304H不銹鋼管的敏化區域;

3)部件運輸、儲存及安裝期間,做好TP304H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,儲存期間應盡量保證室內存放,尤其涉及沿海大氣腐蝕環境(沿海電廠或者涉及海洋運輸)

4)起吊過程中,避免采用鋼絲繩或者采取相應隔離措施;

5)運輸,儲存期間,保證鋼管內壁潔凈、干燥,確保端部密封效果良好;

6)嚴禁用生水或未經處理的水做水壓試驗,Cl-含量應滿足從相關標準要求。6結論與建議

TP304H作為奧氏體耐熱鋼,從材料設計和材料標準規定角度講,其晶間腐蝕要求是非強制性的,按照穩定化不銹鋼的要求進行晶間腐蝕試驗是不必要也是不合理的。

TP304H不銹鋼管若需要進行原材料晶間腐蝕試驗,應不進行敏化處理;若規定敏化處理后試驗,試驗結果判定應另行規定判據。

預防TP304H產生晶間腐蝕的關鍵,在于有效隔絕能夠產生晶間腐蝕的介質,在對應鍋爐部件的制造、運輸、現場存放和運行過程中采取合適的防護措施。