直接電阻加熱式局部熱處理在雙相鋼U形管中的應用

朱 勃,朱 偉,李玉海

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 前 言

雙相不銹鋼(DUPLEX STAINLESS STEEL)是α+γ組織, 故兼有奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼的特性, 與前兩者相比, 其韌性高、脆性轉變溫度低, 耐晶間腐蝕性能和焊接性能顯著提高。同時, 保留了鐵素體不銹鋼導熱系數高、膨脹系數小、具有超塑性等特性;與奧氏體不銹鋼相比,雙相不銹鋼的屈服強度和疲勞強度顯著提高, 且耐晶間腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞等性能有明顯改善, 費效比好[1]。利用雙相鋼的這些特性，已在化工、石化、造紙、油、氣等工業及其他氯化物環境中得到應用。

某海上采油平臺的原油加熱器(CRUDE HEATER)設計采用S31803(SA 789)雙相鋼無縫管制造U形換熱管，以滿足在殘留氯化物介質中工作20年的要求。在評估彎管后整體熱處理及局部熱處理的優劣后，決定采用直接電阻加熱式局部熱處理，U形管技術要求：

1、尺寸?19.05 mm，名義壁厚1.65 mm；

2、U形部分彎曲半徑：最小38.10 mm，最大342.9 mm；

3、冷彎成形后檢查U形彎區無撕裂、無疤痕、無褶皺等缺陷，壁厚減薄量不超過名義壁厚的15%，壓扁量不超過名義壁厚的10%；

4、U形管彎曲成型后連同兩端至少300 mm直管段進行固溶處理。固溶處理后每批次U形管，取樣檢測：直管段的力學性能(拉伸、擴口、壓扁和微觀硬度)；檢測弧形段和熱處理溫度過渡段(600 ℃～900 ℃)的鐵素體含量、化學成份、微觀硬度、微觀金相等；

5、對U形管的檢查和驗收除滿足ASME SA789外，還需要：

?按ASTM E562檢測鐵素體含量應在35-55%；

?按ASTM G48 A法在25 ℃±1 ℃腐蝕24小時不得出現點蝕，按(腐蝕前質量(g)-腐蝕后質量(g))/試樣表面積(m2)計算腐蝕率<4 g/m2;

?按ASTM A923 A法微觀金相不得出現中間相和析出物。

σ相是不銹鋼、耐熱鋼等高合金鋼中經常出現的一種金屬間相，尤其是不銹鋼。由于它屬于四方結構，硬度高達HV 900～1 000[2]，鋼中出現少量的σ相就會使鋼的韌性和塑性急劇下降[3]，此外σ相的析出使其周圍貧鉻、貧鉬，從而降低抗蝕性[4]。如何盡量避免U形管加熱區特別是溫度過渡段(600 ℃～900 ℃)出現σ相[4]，是保證U形管抗腐蝕性能和其他性能的關鍵。

1 U形管彎管工藝

U形管彎制前的直管以固溶態供貨，其實測化學成份和力學性能如表1和表2所示。在多次模擬試驗后采取弧形模具冷彎成形。

表1 S31803化學成份要求

表2 S31803鋼管性能要求

冷彎后的U形管按如下工藝實施局部固溶處理：

采用直接電阻加熱式實施熱處理，為減小溫度過渡段(600 ℃～900 ℃)的范圍，對電極內部采用水冷冷卻。

熱處理溫度應滿足ASME SA789表2允許的范圍，通過借鑒相關研究成果，擬控制在1 020 ℃～1 050 ℃[5,6]，保溫5～10 s，使用光學高溫儀對內外圓弧的中心線位置檢測和控制加熱溫度及過程。

在保溫結束后立即浸水冷卻避免進入S31803材料的σ相析出區域(如圖1)[4]，從開始加熱至冷卻完畢控制在2 min之內。

圖1 S31803冷卻速度與σ相析出關系示意

整個加熱過程中管內使用流動純氮氣保護，外表面氧化層酸洗去除。

2 U形管局部熱處理工藝驗證

待使用的管材化學成分及各項力學性能均滿足SA 789的規定。其中屈服強度最低、延伸率最小和硬度最高的三批見表2，此外各批次管材按項目要求檢測：鐵素體含量在40%～50%之間；腐蝕試樣表面未發現點蝕，腐蝕率在0.005～0.287 g/m2之間；微觀金相中未見中間相或析出物，典型金相見圖4和圖5。經外觀檢查、超聲波檢查和水壓試驗驗證均符合標準要求。

圖2 U形管局部熱處理實施

圖3 U形管溫度過渡段(600 ℃～900 ℃)位置確認

圖4 直管縱剖面金相1(X400)

圖5 直管縱剖面金相2(X400)

抽取表1中三批直管按既定的工藝冷彎至最小彎管半徑，局部熱處理后(見圖2、圖3)按照項目要求進行檢查、檢測，驗證冷管及局部熱處理工藝是否可用。

考慮熱處理保溫結束后至浸水冷卻的轉運時間對性能的影響，另外在試樣3同支管材上另截取一件試樣將保溫時間設置為10s,其他試樣保溫時間設置為5 s。

2.1 尺寸和外觀

外觀檢查及內窺鏡檢查U形管內外表面，未發現撕裂、傷疤、褶皺等缺陷。尺寸檢查確認彎管區壓扁量小于項目要求。超聲波壁厚測量和縱切試樣厚度檢查，確認弧形外壁的壁厚減薄量在要求范圍內。

2.2 表面無損檢查和水壓試驗

經7 MPa水壓10 s U型管無泄漏。U形段及兩端相鄰300 mm以上直管段經滲透檢查未發現線性缺陷及>1 mm的圓形缺陷。

2.3 弧形段和過渡段化學成份

按ASTM A751標準檢測弧形段和過渡段的化學成份，確認其與彎管前無明顯差別。

2.4 直管段力學性能

熱處理后的直管段進行拉伸試驗、壓扁、擴口和微觀硬度，其結果均符合ASME SA789和項目要求。工藝驗證試樣的力學性能滿足標準要求，數據記錄如表3。相比彎管前直管其屈服強度降低，延伸率略有降低，硬度略有提高。

表3 直管段力學性能

熱處理保溫時間變化(5 s和10 s)對被一同加熱的直管段的力學性能無明顯影響。

2.5 過渡段微觀硬度

試樣在過渡段位置橫切，檢測端面HV10硬度，試驗中硬度最小236 HV10，最大244 HV10。不論保溫時間5s或10s相較彎管前硬度略有提高。

2.6 弧形段和過渡段微觀金相

按ASTM A923在短時(5 s)保溫工藝驗證件的弧形段內、外圓縱和過渡段分別取樣，經磨拋其縱剖面并經40%NaOH電解液腐蝕后，顯微鏡觀察未發現中間相或析出物，相間的邊界是光滑的，浸蝕組織屬未受影響組織。相較直管沿軋制方向明顯的板條狀金相組織，熱處理后金相組織方向不明顯(見圖6、圖7)。

圖6 弧形段內、外圓縱剖面金相(X400)

圖7 過渡段縱剖面金相(X400)

長時(10 s)保溫試樣的金相中未發現中間相或析出物，但在內圓縱剖面中金相組織出現異常長大,見圖8,圖9。

圖8 10 s保溫內、外圓縱剖面金相(X500)

圖9 10 s保溫過渡段縱剖面金相(X500)

2.7 弧形段和過渡段鐵素體含量

對2.6節的金相試塊，按ASTM E562人工逐點計數法測量鐵素體含量。短時保溫(5s)試樣弧形段內、外圓縱切剖面和過渡段縱切剖面的鐵素體含量分別在43%～54.7%、43%～50%和42%～54%，均在項目要求范圍內(35%～55%)。

而長時保溫(10s)試樣的三個位置的鐵素體含量分別為54%，63%和51%，其中弧形段外圓處的鐵素體含量超過項目要求值(見圖10)。

圖10 過渡段鐵素體檢測(X400)

2.8 弧形段和過渡段氯化物腐蝕試驗

按ASTM G48 A法將從弧形段和過渡段切取試塊，每一個單獨浸入600 ml濃度6%的三氯化鐵(FeCl3)腐蝕液中，在25 ℃±1 ℃腐蝕24小時，放大20倍檢查試塊表面，各個試塊未見點蝕的情況，稱量腐蝕前后試塊質量計算腐蝕率，其中短時保溫(5s)試樣弧形段在0.490～1.920 g/m2，過渡段在0.043～0.444 g/m2，而長時保溫(10 s)試樣弧形段在0.96 g/m2，過渡段在0.430 g/m2(見圖11)。

圖11 腐蝕試驗后試樣

3 驗證結論

綜合上述各項檢查、檢驗情況， S31803鋼管在冷彎后，經直接電阻加熱法在1 030 ℃～1 050 ℃實施固溶處理，保溫5 s并浸水冷卻后，U型管加熱區金相組織和鐵素體比例均能很好的滿足要求，屈服強度、延伸率、硬度及腐蝕率雖相比直管略有變化，但完全滿足標準和項目要求。

但實踐中應注意，由于U形管各部位電阻不同，特別是內、外弧電阻差別更大，電阻加熱時U形各部位發熱量是不同的，而固定的測溫儀測量位置也不能全面反映各處的加熱溫度。而過長的保溫時間(10 s)時內弧的過度長大的金相組織也說明內弧處溫度已超過預定的1 050 ℃[6]。

W=I2Rt

(1)

實際在產品制造前應該根據U形管材質、規格和彎管弧度的不同分別進行工藝驗證，而產品制造應嚴格按照驗證后的工藝參數執行。

4 結 語

U形管的局部固溶處理避免了整體爐內熱處理造成的變形，減少了矯正工作量。同時冷彎變形處的應力集中也得到了緩解。此次工藝驗證工作及后續產品的實施為作者所從事行業逐步引入雙相鋼替代價格高昂的鎳基合金、鈦合金等提供借鑒。