TP347HFG不锈钢弯管局部固溶处理工艺研究分析
2020-03-14 00:41:55
浙江宏盛特钢有限公司技术人员将不同弯曲变形量的TP347HFG不锈钢弯管，分别进行不同温度（1180℃、1200℃）和时间（2分钟、10分钟）进行固溶处理，然后进行力学性能、硬度、金相、腐蚀等试验。结果表明不同固溶处理工艺，对材料常温和高温短时拉伸性能影响不显著，但使弯管硬度下降，晶粒度级差增加，固溶处理过渡段存在一段晶间腐蚀敏感区。根据试验结果，局部固溶处理时，采用1180℃的固溶处理温度，时间控制为2 分钟~10分钟，同时采用急冷方法，可以取得满足标准要求的固溶处理效果。
提高蒸汽温度与蒸汽压力是提高火电机组发电效率的有效途径。在超超临界蒸汽参数下，传统的低合金耐热钢如12Cr1MoV、10CrMo910等，已没有足够的热强性和热稳定性，特别是在直接承受炉膛火焰和烟气传热的受热面管，即使T91/92、TP347H不锈钢等材料，也不能满足包括抗蒸汽和烟气腐蚀等的要求。因此我国现阶段蒸汽温度620℃以下的超超临界机组，其过热器管和再热器管高温段，普遍采用持久强度和抗氧化与腐蚀性能更为优良的新型耐热不锈钢材料，如TP347HFG不锈钢、HR3C不锈钢、304不锈钢等。随着这些不锈钢管的使用，一个新的问题将不可避免地出现，即这些材料弯管在检修现场的固溶处理。在制造过程中，这些弯管是在专门的大型固溶处理炉中整体进行固溶处理，不同材料也有成熟的固溶处理工艺。但是在检修现场，由于检验或检修的需要，只有数根或数十根弯管需要进行固溶处理，而且弯管材料、弯曲角度、弯曲半径都不相同。若将这些少量的弯管在制造厂大型固溶处理炉中进行固溶处理，无论从工期还是从成本上看，都是不合适的。研制一种适用于检修现场小批量不锈钢弯管固溶处理的设备并开发出相应的固溶处理工艺成为必要。本文在用所研发的固溶处理装置基础上，研究了与其相适应的弯管固溶处理工艺，对减小检修成本运行，提高检修质量，保证机组安全稳定运行等具有积极的意义。
一、试样制备
1. 试样弯制
在手动弯管机上，将φ60.3×4.6mm的TP347HFG不锈钢管弯制成60°、120°、180°共三种角度。弯曲半径160mm。
2. 固溶处理
采用浙江宏盛特钢有限公司研制的固溶处理炉，将不同试样，按不同的固溶处理温度（1180℃、1200℃）和不同时间(2min、10min)、不同冷却方式（水冷、空冷）进行固溶处理。试样编号6位数字含义如表14位数字前二位同6位数字，后两位“00”表示不进行固溶处理。 固溶处理过程中，弯管的入炉温度为800℃以上，恒温3分钟~5分钟后，开始升温。水冷时，从通水开始到试样冷却至室温约6秒时间。 采用自动记录仪记录炉内温度，温度采集频率为2秒。固溶处理过程中的记录曲线如图所示。
二、试验结果
1. 常温拉伸、高温短时拉伸、硬度检查 、金相检验等结果见表
2. 晶间腐蚀
依据 GB/T 4334-2008不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法E，进行晶间腐蚀试验。试验过程如下：
a. 试样热处理采用650℃保温2小时，空冷；
b. 试样表面打磨、清洗、干燥；
c. 配置酸铜溶液，溶液配比为100g分析纯CuSO4•5H2O100ml分析纯H2SO4，用超纯水稀释至1000ml；
d. 使用带冷凝管的锥形烧瓶，在锥形烧瓶底部铺一层铜屑（纯度不小于99.5%），然后放置试样，保证每个试样与铜屑接触，但试样间互不接触，加热并通冷却水使溶液保持微沸状态，记录时间，连续实验16个小时；
e. 将试样取出洗净、干燥，采用弯曲法进行检验，弯头直径为5mm，弯曲角度180°；
f. 用10倍放大镜观察表面有无晶间腐蚀裂纹、拍照记录。
所有检测样品经观察分析，在过渡段两组样品的内表面发现轻微晶间腐蚀裂纹，如图所示，其他试样均未出现晶间腐蚀。
三、试验结果综合分析
1. 常温拉伸试验
将未进行固溶处理的原材料、不同固溶处理温度、不同固溶处理时间下的试样管直管段取样进行拉伸试验。试验结果如表所示。从试验结果可看出:
a. 不同的固溶处理温度和时间，对材料的抗拉强度σb无显著影响，但固溶处理使材料的屈服点σs降低，断面收缩率提高。
b.不同固溶处理参数下，温度比时间影响更为显著。
2. 650℃短时高温拉伸
将未进行固溶处理的原材料、不同固溶处理温度、不同固溶处理时间下的试样管直管段取样进行650℃短时高温拉伸试验，试验结果如表所示。从试验结果可看出：
a. 不同固溶处理温度和时间，对650℃短时高温拉伸性能产生影响，固溶处理后，材料的抗拉强度提高，从390MPa提高到最高450MPa，但屈服点降低，从190MPa降到最低157MPa。
b. 温度对TP347HFG650℃短时拉伸性能的影响比时间的影响更为显著。
c. 由于部分试样断在标距外，因此断面收缩率缺乏比较。
3. 硬度试验
弯管背弧面与过渡段显微硬度测量结果如表所示，分析该表可以看出：
a. 试样受弯后，硬度显著增加。受弯前的直管硬度为180HV，受弯后未固溶处理的试样硬度分别达到279HV（60°弯头）、266HV（120°弯头）和268HV（180°弯头）。从硬度指标判断，需要对弯制后的试样进行固溶处理。
b. 在4种不同的固溶处理工艺下，弯头硬度值均降到200HV以下，即降到GB5310-2008对于TP347HFG钢直管要求的硬度以下。
c. 随着固溶处理温度的提高，固溶处理恒温时间的延长，弯头的硬度值出现下降，如图所示。不同固溶处理参数下，随着固溶处理温度的提高和保温时间的延长，硬度也呈现下降趋势，如图所示。
d. 在过渡段，固溶时承受温度越高的过渡段，其硬度值越低，如图所示。
e. 空冷弯管的硬度高于相同温度下水冷弯管的硬度。过渡段相同温度下也呈现同样的规律。
4. 金相检验
a. 原始管材晶粒度8~10级。弯制后，弯管背弧面的晶粒度仍为8~10级，但弯制后，弯头处出现形变孪晶，随着变形量增加（变形角度增加），孪晶数量增加。
b. 相同变形量（弯曲角度）下，随着固溶处理温度的提高、时间的延长，晶粒度增大趋势明显，且晶粒度级差增加。如对于试样，晶粒度为8~10级，管内外壁晶粒度均匀，与固溶前晶粒度相近，晶粒无明显粗化趋势。 对于试样，内壁最外层出现脱碳层，厚度为0.1~0.2mm，稍内层出现晶粒度达到4级的晶粒；外壁也出现晶粒度达4级的晶粒。 对于试样，晶粒度为5~9级，但同时存在形变孪晶。 对于试样，整个断面上晶粒度均为5~7级，已超过GB5310-2008标准中对FP347HFG不锈钢允许的晶粒范围，且已出现较多颗粒状析出物。
对弯曲角度为60°、180°的两组试样分析，同样得出上述结论。由此可见，当固溶处理温度为1200℃时，恒温10分钟是不合适的，主要是晶粒度粗大到标准允许范围外。同样，当降低固溶处理温度到1180℃，但时间超过10分钟后，内外壁同样出现晶粒度过大的区域，同时可能会出现脱碳层。 采用1180℃固溶处理温度，时间控制为2~10分钟内是合适的。
c. 内壁无氩气保护的空冷弯头，管内外壁均出现脱碳层，晶粒度较同等固溶处理条件下的水冷弯头晶粒粗大。
d. 对于弯管上也同样进行了固溶处理的直管段，随着固溶处理温度的提高和时间的延长，晶粒度也呈现增大的趋势，但是与弯管相比，直管的晶粒度级差小一些。说明弯曲应力对晶粒长大起到了促进作用。同时，当固溶参数为1200℃×10min时，直管段的晶粒度也超过了7级。
e. 对于空冷弯管过渡段，存在一段管段范围，在此范围内，晶粒度级3级。但在水冷弯头上未发现此现象。
5. 腐蚀试验
腐蚀试验前，对试样进行了敏化处理，敏化处理采用650℃保温2小时，空冷。 在编号两组样品的内表面发现轻微晶间腐蚀裂纹。其他试样未发现晶间腐蚀裂纹。 出现裂纹的两个试样有一个共同特点,试样部分区域处于过渡温度范围，而试样本身就是对过渡区域取样。这说明，在固溶处理一定温度范围内，存在一个温度区域，处于这个区间的直管段，可能发生晶间腐蚀。
四、结论
1. 常温拉伸表明，不同的固溶处理温度和时间，对材料的抗拉强度σb无显著影响，但固溶处理使材料的屈服点σs降低，断面收缩率提高。不同固溶处理参数下，温度比时间对性能的影响更为显著。
2. 650℃短时高温拉伸结果表明，固溶处理后，材料的抗拉强度提高，但屈服点降低，温度对TP347HFG不锈钢650℃短时拉伸性能的影响比时间的影响更为显著。
3. 硬度试验表明，试样受弯后，硬度显著增加。从硬度指标判断，需要对弯制后的试样进行固溶处理。在4种不同的固溶处理工艺下，弯头硬度值均降到200HV以下；随着固溶处理温度的提高，固溶处理恒温时间的延长，弯头的硬度值出现下降；不同固溶处理参数下，随着固溶处理温度的提高和保温时间的延长，硬度也呈现下降趋势。
4. 金相检验表明，未固溶处理的弯头存在形变孪晶，随着变形量增加（变形角度增加），孪晶数量增加；相同变形量（弯曲角度）下，随着固溶处理温度的提高、时间的延长，晶粒度增大趋势明显，且晶粒度级差增加；不恰当的固溶处理工艺，可能导致管壁均出现脱碳层，晶粒度超过标准允许的7级。
5. 腐蚀试验表明，弯头背弧面均未产生晶间腐蚀，但在过渡段，在固溶处理一定温度范围内，存在一个温度区域，处于这个区间的直管段，试验中发生了晶间腐蚀。
6. 综合分析以上检查结果，认为当固溶处理温度为1200℃时，恒温时间过长，晶粒度粗大到标准允许范围外；恒温时间过短，晶粒度级差也易超标。因此，采用所研制的设备进行固溶处理时，可以采用较低的固溶处理温度，如1180℃，时间控制为2~10分钟内是合适的。同时水冷效果优于空冷。
