锅炉钢管的氧化与腐蚀问题解析

锅炉结构中有水冷壁管、过热蒸汽管、给排水管、导气管、省煤器管等多种类型管道。其中，一般锅炉管使用温度为350℃以下，国产管主要用10、20钢热轧管或冷拔管制造。高压锅炉管使用时经常处于高温和高压环境，管子在高温烟气和水蒸气的作用下，会发生氧化和腐蚀。要求钢管具有高持久强度、高抗氧化腐蚀性能，并有良好的组织稳定性。高压锅炉管主要用来制造高压和超高压锅炉的过热器管、再热器管、导气管、主蒸汽管等。

高压蒸汽锅炉管道采用优质碳素结构钢、合金结构钢和不锈耐热钢无缝钢管，如优质碳素结构钢20G、20MnG、25MnG；合金结构钢15MoG、20MoG、12CrMoG、15CrMoG、12Cr2MoG、12CrMoVG、12Cr3MoVSiTiB；不 锈 耐 热 钢07Cr19Ni10、07Cr18Ni11Nb。常用锅炉管材牌号及其标准如图7-2所示。

图7-2 常用锅炉管材牌号及其标准

（1）常用锅炉管材的成分控制要求和性能指标①常用锅炉管材熔炼和化学成分控制要求见表7-3。②常用高压锅炉管材性能指标见表7-4。表7-3 常用锅炉管材熔炼和化学成分控制要求（质量分数，％）

表7-4 常用高压锅炉管材性能指标

注：L表示纵向，T表示横向。

（2）新型马氏体耐热钢焊接接头易出现的问题 随着火电机组不断向着高参数、大容量的方向发展，蒸汽温度和压力进一步提高，一些新型马氏体耐热钢和奥氏体耐热钢应运而生。这些钢的合金元素含量较以前的锅炉用钢更高，但焊接性能相比之下有所下降。(www.xing528.com)

新型马氏体耐热钢一般通过控轧、控冷工艺制造，有T／P91、T／P92（NF616）、E911、T／P122（HCM12A）等。在焊接过程中，焊缝金属没有经过控轧、控冷，很难通过细晶强化和位错强化来改善焊接接头的性能，因此容易出现以下问题。

①焊接接头的脆化。马氏体耐热钢焊接接头的脆化主要是由粗晶组织引起的。焊缝金属晶粒粗大是由于在焊接过程中，奥氏体化时间较长，晶粒长大速度较快，形成粗大的奥氏体组织，在随后的冷却中得到粗大的马氏体组织，从而降低接头的韧性，故在焊接过程中应使用较低的焊接热输入。

②热影响区的软化。马氏体耐热钢的供货状态为正火 十 回火处理。焊接时，在细晶热影响区和临界热影响区将会产生软化现象。焊接时，细晶热影响区所经受的温度稍高于Ac₃，临界热影响区所经受的温度为Ac₁～Ac₃，处于这一温度区间的金属发生部分奥氏体化，沉淀强化相在这一过程中不能完全溶解在奥氏体中，在随后的热过程中未溶解的沉淀相发生粗化，造成这一区域的强度降低。软化对短时高温拉伸强度影响不大，但会降低持久强度，长期高温运行后，在软化区会产生Ⅳ型裂纹。焊接热输入、预热温度对软化带影响较大。焊接热输入不宜过大，预热温度不能过高。软化区宽度越窄，其拘束强化作用越强，软化带的影响越小。

③焊接冷裂纹。冷裂纹是在焊后冷却过程中，在Ms点以下的温度范围内形成的一种裂纹。马氏体耐热钢淬硬倾向高，焊接过程中应注意控制氢的含量，同时在焊接过程中应尽量减少拘束度，防止产生较大的拘束应力，以减少焊接冷裂纹的产生。

（3）新型奥氏体耐热钢焊接接头易出现的问题 新型奥氏体耐热钢主要有TP347HFG、Super304、HR3C等。这些材料的Cr、Ni元素含量较铁素体耐热钢有着很大的提高。奥氏体耐热钢在焊接和使用过程中易出现下列问题。

①晶间腐蚀。晶间腐蚀是奥氏体耐热钢一种极其危险的破坏形式。它的特点是沿晶界开始腐蚀时，表面上一般不容易发觉，但它使承压管道焊接接头的力学性能显著下降，因而易发生早期破坏。根据“碳化物析出造成晶间贫铬”的理论，在450～850℃，C和Cr易在奥氏体晶粒边界处形成碳化铬，使得晶粒边界处局部贫铬，造成钢材丧失耐蚀性能。另外，Fe-Cr合金在400～550℃环境中长期加热时，会产生475℃脆性，需要多加关注。

②应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹（SCC）是应力和腐蚀联合作用引起的一种低应力脆性裂纹。奥氏体不锈钢线胀系数大，导热性差。在结构复杂、刚度较大的情况下，焊接变形受到约束，焊后构件特别是焊接接头会存在较大的焊接残余应力，而奥氏体耐热钢的组织特征和腐蚀介质的存在，满足了产生SCC的充要条件，从而使奥氏体不锈钢产生SCC的倾向较大。

③热裂纹。热裂纹主要有结晶裂纹和液化裂纹两种形式。结晶裂纹是在结晶后期，由于低熔点共晶形成的液态薄膜削弱了晶粒间的联系，在拉应力作用下产生裂纹；液化裂纹是指近缝区或多层间部位在热循环的作用下被金属重新熔化，在拉伸力的作用下沿奥氏体晶界开裂的裂纹。HR3C的热裂纹敏感性较高。

④再热裂纹。由于奥氏体不锈钢热胀系数大、热导率低，故在焊接时接头附近的温度场和变形量极不均匀，导致很大的残余应力。在随后的焊后热处理或者高温服役时，残余应力的释放以及应力集中会使晶界的塑性变形较大，从而产生裂纹。稳定化奥氏体钢，如TP321和TP347中的再热裂纹是长期存在的问题。焊后冷却过程中碳化物在母材位错处的沉淀析出，导致晶内强化，晶界区域的蠕变集中，从而形成低塑性晶间裂纹。