王伯文

（山西太钢不锈钢钢管有限公司， 山西 太原 030008）

内壁高温氧化腐蚀是超（超）临界电站锅炉管失效的主要因素之一，为提高锅炉管的使用寿命，满足越来越高的蒸汽温度要求，目前采取的措施有使用抗腐蚀性能更好的材料、改进材料组织性能、采用技术手段对表面进行处理等。钢管内壁喷丸处理是最为有效、经济的表面处理手段之一（见图1），可细化钢管表层晶粒，形成高密度位错、层错等结构硬化层，为Cr元素提供良好的扩散路径，缩小Fe元素与Cr元素的扩散速度差，在高温下形成致密的Cr氧化膜层。钢管通过内喷丸处理工艺改进抗氧化性能的方法，此方法正在国内外电站行业得到越来越多的应用。

图1 钢管内壁喷丸强化处理示意图

SA213M S30432奥氏体不锈钢锅炉管由于其优良的高温蠕变及高温抗氧化性能，是目前超（超）临界锅炉过热器和再热器等高温部件的主要材料。本文研究的S30432奥氏体不锈钢锅炉管由某钢厂制造，已在国内主要锅炉制造企业得到广泛应用。

1 原理分析

锅炉管通过内喷丸处理提升抗氧化性能的主要机理为：

1）Fe与Cr扩散速度的差别是影响表层氧化膜构成的重要因素。在超（超）临界电站锅炉管600℃工作环境下形成的高温氧化膜主要由Fe3O4和（Fe，Cr）3O4构成，与 Fe2+和 Fe3+相比，Cr3+向氧化膜/气体界面扩散的速度慢的多，距氧化膜/基体界面越远，Cr浓度越小，导致氧化膜最外层基本为铁氧化物，铁氧化物不断生长并剥落，导致内壁腐蚀的加速[1]。Cr的扩散主要通过短路扩散实现，内喷丸处理可细化表层晶粒，形成高密度位错、层错结构，增加晶界、亚晶界等短路扩散通道，提高Cr扩散通量（见图2），形成富Cr氧化物层，改变表层氧化膜构成，降低腐蚀速率。

图2 钢管内壁喷丸层Cr元素扩散通道示意图

2）在含有水蒸汽的高温氧化环境中，Fe-Cr合金氧化进程被显著加速，主要原因是氧化膜表面吸附的水蒸汽分子与来自内外层氧化界面的Fe离子反应，生成FeO和游离的氢，氢可显著加速铁铬氧化膜分解[2]。经过喷丸处理，原始氧化膜层均匀致密，可减缓H2O与铁铬氧化物的反应速率。

由上分析可得出，锅炉管内喷丸层有效深度越大、原始氧化膜层越致密、晶粒越均匀细化，耐高温腐蚀性能越好。

目前对钢管内喷丸层的深度、显微组织、耐蚀性等性能进行评价的主要方法有金相法和显微硬度法[3]，本文采用两种方法对S30432锅炉管通过不同的内喷丸工艺得到的样管进行研究，以选取较合理的工艺，改进内喷丸层质量。

1 工艺设计

所采用的喷丸设备基本参数为：设计最大工作压力1.4 MPa，喷丸流量10～20 kg/min，喷枪自动进给速度 20～100cm/min；喷丸行进小车速度 0.2～3m/min；丸材质为专用304不锈钢丸，颗粒Φ0.3mm～Φ0.7mm。

喷丸对象为Φ51 mm×11 mm S30432奥氏体不锈钢锅炉管，经过热挤压和冷轧成型，内表面洁净无缺陷（见图3）；喷丸后内表面洁净无机械损伤，喷丸层均匀（见图4）。

图3 钢管内喷丸前内表面状态

图4 钢管内喷丸后内表面状态

设计了不同的喷丸工艺进行试验，分别测试工作压力、喷枪进给速度、弹丸流量、喷丸次数对结果的影响。对效果较好的试样进行金相法检验和截面硬度曲线分析，验证喷丸层深度和硬度变化值是否满足标准要求。

表1 喷丸试验参数设计

2 检验结果

根据行业标准DL/T 1603—2016《奥氏体不锈钢锅炉管内壁喷丸层质量检验及验收技术条件》，使用维氏显微硬度计，按照国家标准GB/T 4340.1进行检验，试验载荷为1.96 N，加载时间为10～15 s。

检验位置及测点数量：横向环状试样随机划出时钟3点、6点、9点和12点的4个检验位置（或者圆周 0°、90°、180°、270°），喷丸层在距离内壁表面 60 μm处进行检测，每个检测位置至少测量3个显微硬度值，取其平均值作为该位置的硬度值；基体金属在二分之一壁厚处进行显微硬度检测，至少测量3个数值，取其平均值。

表2 喷丸硬度（HV0.2）试验数据统计（HV0.2）

根据检验结果，工作压力、喷枪进给速度、弹丸流量、喷丸次数等工艺参数对喷丸层的显微硬度增加均有影响。逐项进行分析，弹丸流量和喷丸次数的影响最为显著；喷枪工作压力的影响较小；喷枪进给速度的影响较为不明显。

对比不同工艺参数下试样喷丸效果，3-2和4-2试样效果最好。在其他参数相同的情况下，4-2试样进行了3次喷丸，对生产效率有一定影响。

用金相法检测3-2试样有效喷丸层深度，结果见图5；用显微硬度曲线法检测3-2试样有效喷丸层深度，取样位置及结果见下页图6、7和表3[4]。

图5 金相法测量喷丸层深度

图6 单个试样喷丸层显微硬度检验取样位置（×200）

图7 单个试样喷丸层显微硬度检验结果

根据行业标准DL/T 1603—2016《奥氏体不锈钢锅炉管内壁喷丸层质量检验及验收技术条件》，对奥氏体不锈钢锅炉管内喷丸层性能的要求为：采用金相法测得的有效喷丸层深度不小于70 μm；采用硬度曲线法测得的有效喷丸层深度不小于60 μm；在喷丸管同一横截面距离内壁表面60 μm深度处，沿时钟方向3点、6点、9点、12点四个位置（或者圆周0°、90°、180°、270°）测得的硬度值（HV）与基体金属硬度值相比较的增加值应不小于100，且4个位置硬度值间的差值不大于50。对于S30432钢管，喷丸层60 μm处的硬度应不小于280。

由上可得3-2试样的有效喷丸层深度为176 μm（金相法）/171 μm（显微硬度法），喷丸层 60 μm 处的硬度达到364，喷丸效果较好，各项检测结果较好地满足了标准要求。

5 分析和结论

通过以上对比试验及分析，对S30432奥氏体不锈钢锅炉管的内喷丸工艺可得出以下结论：

1）工作压力、喷枪进给速度、弹丸流量、喷丸次数等工艺参数对喷丸层的显微硬度增加均有影响，其中弹丸流量和喷丸次数的影响最为显著。

表3 单个试样喷丸层显微硬度（HV0.2）检验结果

2）对于Φ51 mm×11 mm规格的产品，采用适中的工作压力和喷枪进给速度，较高的弹丸流量，两次喷丸可得到较好的喷丸层性能；更多的喷丸次数可得到更好的效果，但会显著降低生产效率，并不是必要的。

3）喷枪进给速度和喷丸次数是影响喷丸生产效率的主要参数，适当提高喷枪进给速度、增加喷丸次数可提升生产效率，同时保证喷丸层质量；反之降低喷枪进给速度、减少喷丸次数会对喷丸层质量不利，不建议采用。