蒸發(fā)和冷凝器用008Cr27Mo不銹鋼管的性能評析

彭生爐 符長平 郭奕文

（1.遠大空調有限公司，湖南 長沙 410138；2.先進儲能材料國家工程研究中心有限責任公司，湖南 長沙 410205；3.湖南應用技術學院，湖南 常德 415100）

0 引言

008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼焊管經(jīng)過特殊設計和工藝處理后能夠在海水環(huán)境中、在Cl-含量高的化工行業(yè)、電廠冷凝器、空調設備換熱器中持續(xù)性運行，具有一定的延伸性[1]。發(fā)達國家對008Cr27Mo 焊管的研究比較早，經(jīng)過多年的研究應用，008Cr27Mo 焊管被應用于沿海發(fā)電機組的整體流程運行中，對化工行業(yè)的發(fā)展有重要的推動作用，也正是008Cr27Mo 焊管的應用，使鋼管的總長度得到了一個極大的提升。008Cr27Mo 焊管具有穩(wěn)定的性能優(yōu)勢，它可以替代很多物質在鋼管中的應用，降低了其他資源的利用率，對貴金屬資源的利用起到了一個很好的調節(jié)作用。

008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼的許多優(yōu)點，使不銹鋼材料的應用從300 系列轉向400 系列，從而使008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼得到更廣泛的推廣。

1 試驗

1.1 試驗介紹

008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼具有很好的穩(wěn)定性，它所包括的金屬離子比較多，其各項性能指標如表1所示，008Cr27Mo鐵素體不銹鋼包括的化學成份也比較多，具體內容如表2 所示。在整體內部結構中，C、N 2 種元素之間存在一定的空間間隙，因為這種間隙的存在，使不銹鋼的脆性和溫度導性發(fā)生了改變，使其用途受到了極大的限制。經(jīng)過這幾年科學技術的逐漸提升，不銹鋼精煉技術水平越來越成熟，使鐵素體不銹鋼中C、N 元素含量明顯降低，不銹鋼的性能也在逐步完善，提高了其使用效率。當鐵素體不銹鋼中C、N 含量低于一定程度時，其具有的性能優(yōu)勢，例如耐腐蝕性和焊接性都會有很好的體現(xiàn)。該文對008Cr27Mo 不銹鋼焊管的機械、物理、耐腐蝕性能等進行了研究，為008Cr27Mo 焊接管在化工、發(fā)電廠、換熱設備等領域的應用提供了重要的參考[2]。

表1 008Cr27Mo 焊管的綜合性能

表2 008Cr27Mo 焊管的主要化學成份

1.2 晶間腐蝕試驗

按照ASTM A763-Y 法要求進行晶間腐蝕試驗[3-5]，分別對008Cr27Mo、022Cr17Ni12Mo2、S31803 以編號的方式進行排樣，做好試驗前準備工作，最終的測試腐蝕數(shù)據(jù)如表3 所示。

從表3 的實驗數(shù)據(jù)可知：008Cr27Mo 的腐蝕率只有S31803 的25%，022Cr17Ni12Mo2 的10%。

表3 晶間腐蝕試驗表

通過金相顯微鏡觀察008Cr27Mo、022Cr17Ni12Mo2、S31803 3種材料晶間腐蝕前后金相，可發(fā)現(xiàn)，022Cr17Ni12Mo2 和S31803 之間存在一定的連接性，結構特點都差不多，晶粒的黏附性高，使表面腐蝕性增大，容易在表面形成腐蝕坑。

1.3 點蝕對比試驗

采用ASTM G48-C 試驗標準，分別對008Cr27Mo、022Cr 17Ni12Mo2、TA2、S31803 進行點蝕對比試驗。實驗條件：恒溫65 ℃，72h。試驗數(shù)據(jù)結果見表4。

表4 點蝕試驗數(shù)據(jù)

不銹鋼具有一定分化性，從表中數(shù)據(jù)筆者可以看出，受不同金屬離子的影響，在不同溶液中不銹鋼的腐蝕程度是不一樣的，在不銹鋼的結構組成中，對金屬離子的聚集程度是有一定區(qū)別的，其中Cl-是最容易聚集的一種離子，它的黏合程度比較高，當這些離子聚集在一起過多時，會使局部區(qū)域的電位逐漸降低，損壞外側的鈍化膜，將鋼的金屬體裸露在外，形成一個腐蝕節(jié)點[6-7]。

008Cr27Mo、022Cr17Ni12Mo22、TA2、S31803 4 種試樣的點蝕形貌圖分別如圖1～圖4 所示。

從圖1～圖4 的腐蝕形貌結果來看，008Cr27Mo 焊管與TA2 鈦管的腐蝕率相近，大約只有022Cr17Ni12Mo2、S31803的0.1%左右，從試驗樣品上分析：022Cr17Ni12Mo2 在邊緣的位置其腐蝕程度是最為嚴重的[8]，這反應了一個事實情況，022Cr17Ni12Mo2 的邊緣腐蝕效應比較突出，對邊緣腐蝕是一個階段性的過程，一般是管口連接處最先被腐蝕。S31803 的表面結構中，腐蝕呈向下趨勢，也是較為突出的，但是008Cr27Mo 與鈦管的表面都沒有形成明顯的腐蝕痕跡，說明整體性能指標是優(yōu)于其他2 種的。

圖1 008Cr27Mo 點腐蝕形貌

圖4 S31803 點腐蝕形貌

1.4 均勻腐蝕試驗

在不同的腐蝕酸溶液中，06Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2、008Cr27Mo 腐蝕率數(shù)據(jù)如表5 所示。

從表5 中的數(shù)據(jù)筆者可以看出，在不同介質溶液中[9]，鐵素體不銹鋼都表現(xiàn)出了極好的性能優(yōu)勢，其整體抗腐蝕性是非常好的。

表5 均勻腐蝕試驗數(shù)據(jù)

2 008Cr27Mo 不銹鋼焊管接接頭的物理、機械性能

2.1 008Cr27Mo 物理性能

通過查閱相關資料，比較碳鋼、06Cr19Ni10、008Cr27Mo物理性能如下表6 所示。

表6 不同材料的性能比較

圖2 022Cr17Ni12Mo22 點腐蝕形貌

2.2 008Cr27Mo 不銹鋼焊管接頭的抗振性能

008Cr27Mo 不銹鋼焊管具有很好的結構性優(yōu)勢，特別是在接頭的地方，基于結構性特點，接頭的彈性模量和剛性相對來說都是比較好的，對外界因素的抵御性也非常高，比較它材料都要好。表7 數(shù)據(jù)主要是多種材料抗振破壞所要求最小鋼管厚度標準。

表7 各種材料按抗振破壞所要求最小鋼管厚度

上述數(shù)據(jù)可見，008Cr27Mo 不銹鋼焊管接頭按抗振破壞所要求最小鋼管厚度的尺寸最小。

圖3 TA2 點腐蝕形貌

2.3 機械性能

008Cr27Mo 不銹鋼焊管接頭在不同溫度下其延伸性不同，主要變化指標如表8 所示，這種變化指標可以滿足多種熱交換器的交互需求。在調控壓力時，筆者可以降低斷面的整體厚度，對成本管控效果也是相對比較理想的。將008Cr27Mo 不銹鋼焊接接頭的運行溫度控制在一個合理的范圍，預設最高溫度閥值和最低溫度閥值，從而有效減少因為溫度波動幅度過大引起的脆化危險。

表8 008Cr27Mo 不銹鋼焊管接頭高溫機械性能

在海水條件下，008Cr27Mo、TA2、90-10Cu/Ni、AL6XN性能比較結果見表9。表明008Cr27Mo 不銹鋼焊管在海水作介質的應用環(huán)境中，性能優(yōu)良。

表9 不同材料性能比較

2.4 耐磨損性能比較試驗

以海水為冷卻介質，在冷卻蒸發(fā)過程中，海水中富含的物質成分比較多，容易引起銅管磨損的情況，針對此，上海電力學院的梁磊教授做了關于不同管材料的耐磨性性能對比試驗，主要包括008CR27Mo 鐵素體不銹鋼管、鈦管TA2、白銅管BFe30-1-1[10]。

本次磨損試驗中，所采用的試驗裝置都是自主研發(fā)的裝置，其中試驗介質的配比控制在一個合理的范圍，模擬海水中加入必要的介質成分，將各種介質的濃度差調至標準狀態(tài)[11]。將預設的材料準備好，在本次試驗過程中，主要有4 種材料，筆者將這些材料制造成管樣，經(jīng)過一系列標準化流程處理。將管樣裝入需要試驗的裝置中，管樣的中心線與旋轉切線保持同水平狀態(tài)，控制中心點線的旋轉速度，有一個旋轉時間控制，達到預期時間節(jié)點才能取出管樣，然后經(jīng)過干燥處理之后進行稱重[12]。經(jīng)過多次測試，其耐磨損性能對比試驗結構如表10 所示。

表10 海水凝汽器4 種常見管材的耐磨性能比較試驗結果

從表10 可知，在含砂海水中，凝汽器4 種常用管材的耐磨性能從高到低，依次為鐵素體不銹鋼管008Cr27Mo、鈦管TA2、白銅管BFe30-1-1 和BFe10-1-1。

3 008Cr27Mo 不銹鋼管的其他特點和使用效果的顯著變化

008Cr27Mo 不銹鋼管的其他特點和使用效果具體表現(xiàn)在以下幾個方面：1）鋼管的焊縫銜接需要經(jīng)過冷軋?zhí)幚?，對焊縫的重組，需要在高溫預熱下，經(jīng)過一段時間的熱處理才能實現(xiàn)對焊縫的有效銜接；2）基于鋼管結構特點，在表面結構受酸化處理之后，不會出現(xiàn)明顯的劃痕和凸坑，表面的顏色基本都是呈銀白色；3）鋼管的直徑公差0.08 mm,每103mm鋼管的長度公差-0 mm～+3 mm；4）不同管材在含砂海水中的耐磨性程度不同，基于結構組成特點差異，具有一定的分化性。5）海水凝汽器單位換熱面積的管材費用比較高，采用費用排序，由高到低：超純奧氏體不銹鋼AL-6XN →白銅管BFe30-1-1 →鈦管→超純奧氏體不銹鋼254SMo →白銅管BFe10-1-1 →鐵素體不銹鋼焊管。 鐵素體不銹鋼管具有很好的價格優(yōu)勢和經(jīng)濟性能[12]。

4 結論

通過對008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼焊管的綜合性能、工藝性能的分析，對比蒸發(fā)和冷凝常用的奧氏體不銹鋼等材料的相關試驗，得出以下結論：1）008Cr27Mo 鐵素體不銹鋼管的力學性能、工藝性能和耐腐蝕性能均較好。2）008Cr27Mo的焊接接頭具有一定的溫度適應性，可以滿足一定范圍內的溫度變化需求，而且接頭的彈性模量和剛性高，使抗振疲勞損壞的性能高于其他同類型材料。