电站锅炉用S30432钢管应用问题探讨

敬仕煜，华杨康，谢逍原，曾 辉，杨首恩，李彭富

（1.东方电气集团东方锅炉股份有限公司·机械工业高温高压材料与焊接重点实验室，四川 自贡643001；2.江苏银环精密钢管有限公司，江苏 宜兴214203）

S30432系ASMESA 213/SA 213M—2019《锅炉、过热器和换热器用铁素体和奥氏体合金无缝钢管》中的钢种，主成分为18Cr-9Ni-Nb-3Cu，GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》标准中的牌号为10Cr18Ni9NbCu3BN。该钢由日本住友公司研发，是一种许用应力高、经济的18-8型奥氏体耐热钢，日本住友公司的商业牌号为Super304H。依托中国的广阔市场和强大锅炉设备制造能力，S30432钢管已成为超（超）临界锅炉机组使用量最大、最受关注的受热面高等级钢管。20世纪90年代，我国开始跟踪研究S30432钢管，2003年启动国产化研究，2008年国产化研究取得成功。东方电气集团东方锅炉股份有限公司（简称东方锅炉公司）最早于2008年将国产S30432钢管应用于实际工程。

多年来，国内针对S30432钢管进行了大量研究，特别是在国产化过程中，更是掀起了研究高潮，涉及强化机理、钢管制造、内壁喷丸、应用性能、失效模式等方面［1-6］。这些研究一方面助推了S30432钢管的国产化进程，另一方面加深了人们对钢管各项性能的认识，并积累了丰富的经验。然而近年来，各方对S30432钢管的疑虑却不减反增，频繁提出限制性要求，有时还引发争议。本文列举了S30432钢管工程应用中的几个高频关注问题，并进行分析和探讨，希望对促进S30432钢管的应用有所裨益。

1 国产S30432钢管现状

近20年来，中国一直是世界上最重要的超（超）临界锅炉机组建设市场，但S30432钢管曾在较长时间内全部依赖进口。国产化成功之后，国产S30432钢管得到了一些应用，但总体占比仍很小。文献［7］曾发出国产高等级耐热钢“有能力没信任”的追问，国产S30432钢管即是这一追问下的材料之一。

相对于发达国家深厚的技术沉淀、稳定的工艺水平，国内冶金行业在基础研究、固化和执行工艺能力等方面均有待提升。但当前国内钢厂在冶炼、轧机能力、热处理装备能力、响应合同交货周期和技术服务能力等方面远非国外厂商可以企及。

S30432钢管具有优异的高温持久强度。与一般奥氏体耐热钢相比，S30432钢的强化机理较为特殊，服役时产生细小弥散、沉淀于奥氏体内的富铜相，并与Nb（C，N）、NbCrN和M23C6等析出物一起产生极佳的强化作用［8］。东方锅炉公司检测了不同钢管公司生产的S30432钢管的700℃持久强度，结果如图1所示。从图1可以看出，国产S30432钢管的持久强度数据均位于进口钢管数据分散带内，外推结果满足美国机械工程师协会ASME规范和GB/T 5310—2017要求。东方锅炉公司曾跟踪研究了运行超过10年的国华电力绥中发电有限公司B厂1 000 MW超（超）临界锅炉的国产S30432钢管的性能，发现该钢管的各项性能表现良好，与进口钢管相当。

图1 不同钢管公司生产的S30432钢管的700℃持久强度

S30432钢管晶粒较细，具有较好的抗氧化性能。对钢管进行内壁喷丸，其抗氧化效果极佳［2］。目前，内喷丸技术已受到广泛重视，某种程度上被看作是与母管“捆绑”的技术能力。2010年左右，国内开始进行S30432钢管的喷丸试验。研究初期，国产S30432钢管的喷丸有效层厚度、硬度、均匀性等均不及进口钢管［9］。但技术攻关后，国内厂家迅速掌握了关键核心技术［10-11］，开发出喷丸处理生产线，并投入批量生产。某国产S30432钢管内喷丸后的微观组织形貌如图2所示，其喷丸层总深度约124μm，按组织形貌分为3层，从钢管内壁向外依次是晶粒碎化层（约26μm）、多滑移层（约73 μm）、单滑移层（约25μm）。

图2 国产S30432钢管内喷丸后的微观组织形貌

李健等［12］对比分析了国产、进口S30432钢管的实物质量，认为国产钢管不逊色于进口钢管，建议在锅炉合同和技术协议中取消“高等级耐热钢须进口”的限制性条款。

截至2019年，东方锅炉公司、哈尔滨锅炉厂有限责任公司、上海锅炉厂有限公司已经至少在107个锅炉机组（包括600 MW、1 000 MW机组）上使用国产S30432钢管超过1万t，且并无负面反馈。实践表明，国产S30432钢管的实物质量完全满足ASME规范和GB/T 5310—2017要求，达到国外进口水平，并在服务和成本方面更具优势。各方应打消“提起国产矮三分”的疑虑［7］，放心使用，给予国产钢管公平竞争机会，并在应用中促进国产钢管走向精品。同时，希望国内钢厂重视基础数据积累，特别是S30432钢管的高温持久强度数据，固化、优化制造工艺，进一步稳定和减小数据波动。

2 S30432钢管的晶粒度问题

2.1 国内外情况

S30432钢管最初由日本住友公司和三菱重工公司合作开发，1992年开始在日本国内小批量试用，1997年开始大规模使用，2000年3月由ASME Code Case 2328予以批准，2003年6月升版为ASME Code Case 2328-1，列入ASME SA 213/SA 213M标准，UNS（Unified Numbering System，统一编号系统）号为S30432［13］。2010年9月，升版ASME Code Case 2328-2。要注意的是，ASME历次版本中，均没有关于S30432晶粒度的任何限制。

德国Salzgitter Mannesmann公司（早期的DMV钢管公司）于2003年参照ASME Code Case 2328进行了S30432的仿制，并在日本之外率先取得成功，商业牌号DMV304HCu。目前，日本住友公司和德国DMV钢管公司都是重要的S30432钢管供应商。

国外主要以“热挤压+冷轧+固溶处理”方式生产S30432钢管。生产时的热挤压变形量大，金属在三向压应力作用下发生变形，密实性好，组织均匀。固溶处理时，细小弥散的NbC沉淀相不会全部溶解，会“钉扎”晶界抵抗再结晶动力，阻止了晶粒的长大。进口S30432钢管的晶粒度一般为7～10级，其中多数为7～8级［14］。

S30432钢管的国产化过程中，国内产学研单位密切配合，首先厘清了S30432钢管成分设计上C、N、Nb的严格配伍关系和Mo的有益作用［2，13-14］，并基于进口钢管的晶粒度检查结果，将7～10级晶粒度要求作为S30432钢管国产化控制目标之一，以保证产品具有较好的抗氧化性能。

国产S30432钢管主要采用“热穿孔+高温软化处理+冷轧+固溶处理”的技术路线，与热挤压法相比，该技术路线投资较小，但生产过程却非常复杂。通常在一定温度范围内，成分确定的奥氏体钢的固溶温度越高，其持久强度就越好，但晶粒却随温度的升高而长大。国产S30432钢管的持久强度和晶粒度这一对矛盾，依靠高温软化处理来解决。钢管经历超过1 200℃高温软化后，成分中的C、N、Nb等强化元素充分固溶，但与此同时晶粒会粗大，一般可达到3级或更粗。冷轧时，采用大变形量轧制，使粗大晶粒剧烈畸变，在晶内产生大量位错滑移线并储存变形能，最终固溶处理时使基体重新形核结晶，达到细化晶粒目的。即便如此，由于再结晶形核初期晶粒长大迅速，控制7～10级晶粒度要求殊非易事，除固溶温度和保温时间要严格匹配外，还需要综合考虑固溶处理工艺与钢管壁厚的关系。检测表明，国产S30432钢管的晶粒度一般为7.5～8.5级［14］。

由此可见：①ASME标准对S30432钢管的晶粒度没有任何限制；②日本住友公司和德国DMV钢管公司等国外供应商采用热挤压制管工艺得到了7～10级晶粒度的S30432钢管；③我国采用一整套复杂热处理、冷轧变形的组合技术，亦得到7～10级晶粒度的国产S30432钢管，平衡了高温持久强度和晶粒度之间的矛盾。

2.2 细晶化倾向

GB/T 5310—2017标准规定S30432钢管的晶粒度为7～10级，但部分业主却要求晶粒度在8级以上。这样要求可能出于以下考虑：①收窄1级相对于严格一些，不会犯错；②晶粒更细有助于抗氧化性能；③7级晶粒度钢管制造的弯头经成形、重新固溶之后，晶粒可能粗于7级，8级晶粒度有更多保障。笔者不认同上述考虑，分析如下。

（1）8级以上晶粒度要求，将动摇成熟的制管工艺，给钢管质量带来很大风险。无论进口钢管还是国产钢管，晶粒度基本处于7～9级，而8级的新要求将使废品率大增，势必迫使钢厂更改原工艺。

影响晶粒度的关键工序节点如果按影响程度来排序，分别是固溶参数（温度和时间）、最终冷轧道次变形量和软化处理温度：①降低固溶温度或缩短保温时间可以细化晶粒，但必然降低钢管性能。确定成分的S30432钢管的持久强度主要取决于软化温度和固溶处理参数，固溶温度降低或保温时间缩短时，前期加工积累的NbC将不能充分溶解，会降低钢管持久强度。同时，变形晶粒不能有效回复为等轴晶，晶界或孪晶界无法平直化，为后期钢管的冷热成形性能、运行等埋下隐患。②最终道次的大变形量轧制是实现细晶的关键，成熟工艺下轧制延伸系数已高达2.2～2.8［3］，继续增大变形量将对轧制芯棒提出严峻挑战。即便可行，由于极大变形量所产生的效果难解，是否能在保证成品率基础上达到8级以上晶粒度尚不可知，还需要进一步研究。③提高软化温度会拉大与固溶温度之差，或可对晶粒度产生影响，但情况可能变得更加复杂。此外，软化温度已高达1 200℃以上，热处理设备能力几近极限，继续提高温度的成本代价很大。而对于热挤压工艺，Cu所导致的材料高温塑性本已不佳，提高挤压温度无疑雪上加霜，控制稍有差池，将导致荒管出现质量问题。

7级改为8级，晶粒度要求收窄一级，看似变动微小，实则影响巨大。无论采用哪一种方式达成8级，必将动摇成熟工艺，带来很大的质量风险。笔者观察到，钢管厂响应8级晶粒度的对策，往往采用压低固溶温度的办法，以牺牲强度换取细晶，产品质量让人担忧。

（2）相对于7级晶粒度，指望8级晶粒度明显改善抗氧化性能是不现实的。对比7级和8级晶粒度S30432钢管的抗氧化性能是困难的，也没有对比的必要。通常情况下，对于600℃参数之上的超（超）临界锅炉机组，S30432钢管的细晶抗氧化能力减弱，内壁喷丸具有极佳的效果，而且廉价，因此没有必要提高晶粒度下限要求。

（3）弯头冷成形后重新固溶，晶粒度控制的关键在于固溶温度，且适宜的固溶温度应略低于钢管厂制定的固溶温度。ASME B&PVCⅠ［15］中PG-19规定了奥氏体材料冷加工成形规则，对超过变形量限制的弯头应重新进行固溶处理。S30432钢管参照TP347H，设计温度540～675℃、变形量超过15%，应进行不低于1 095℃温度的固溶处理。ASME B&PVCⅡ-D［16］中附录A-370阐释了重新固溶处理的意义，一是避免再结晶成细小晶粒，从而导致蠕变速率增加，以及持久强度降低；二是防止韧性降低而造成裂纹，特别是应力集中处容易受到损伤而过早失效。从ASME规范可知，保证材料强度和韧性，以及防止弯头起弯点和弯头内侧等在残余应力下的早期失效（例如应力腐蚀）才是固溶处理的关键，晶粒度及其有关的抗氧化性能不是主要考量点。弯头冷成形后，由于各部位变形量不一致，重新固溶后晶粒将可能发生两种变化：超过临界应变率的大变形量的位置，可能发生再结晶，形成细晶；低于临界变形率的位置，晶粒将继续长大［17］。必须着重指出的是，ASME规范并没有检验弯头晶粒度的要求，这与其固溶处理目的一脉相承。

经验表明，弯头冷成形后重新进行固溶处理，晶粒通常会长大一些。然而，无论是7级还是8级晶粒度，都不能确保弯头重新固溶处理后的晶粒细于7级。避免晶粒长大，尤其是显著粗化的关键，是弯管前应准确掌握原料管的固溶参数，从而针对性制定固溶处理工艺，使弯管后的固溶温度略低于原料管的固溶温度。当不能有效追溯到原料管的固溶参数时，应进行必要试验，以探索最佳固溶处理工艺。某批次S30432钢管制作弯头前的固溶处理试验结果如图3所示（应变15%，保温30 min），这是东方锅炉公司的部分研究成果，钢管原始晶粒度为8级，重新固溶处理后晶粒总体呈长大趋势，1 100～1 150℃处理时钢管晶粒度略长大至7.5级左右，1 150℃以上温度处理时钢管晶粒加速粗化，最粗达4级左右。综合考虑强度和晶粒度变化，可确定该批S30432钢管的最佳固溶温度应在1 120℃附近。

图3 某批次S30432钢管制作弯头前的固溶工艺试验结果

文献［18］报道了TP347HFG弯头晶粒异常长大情况。然而，这不应归咎于7级晶粒度，也不能推论8级晶粒度就能让事情反转，晶粒异常长大可能与原料管固溶温度较低、弯管过程控制或固溶处理不当等有关。如，较低温度固溶处理得到的8级晶粒度钢管，再次固溶处理后晶粒亦会异常长大。

7级晶粒度的S30432钢管在重新固溶处理后晶粒可能粗于7级，这不必过于介怀。对于S30432钢管，最终产品的显微组织呈等轴晶状态甚为重要，这要求成形后的变形晶粒在足够高的固溶温度下充分回复，即使晶粒略有粗化，弯头的质量仍可保证。诚然，晶粒粗化有损抗氧化性能，但并不重要，后文专门述及。

2.3 关于GB/T 5310—2017中晶粒度规定的商榷

S30432钢管7～10级晶粒度要求源自早期对于进口钢管的检测结果，除认为有利于产品抗氧化外，未见足够研究。对锅炉受热面钢管，高的持久强度是关键。内喷丸S30432钢管的抗氧化性能极佳［11］，细晶带来的抗氧化效果已变得无足轻重。

针对国内有追求细晶的倾向，这可能是一个错误的方向。按国内主流“热穿孔+高温软化处理+冷轧+固溶处理”生产工艺，足够的固溶处理温度和保温时间使S30432钢管变形晶粒充分回复形成等轴晶则更加重要，虽然这可能会使晶粒粗化一些。笔者了解到有业主将晶粒度要求进一步提升至9级以上，无论出于何种考虑，这都非常危险。

从S30432钢管的国产化进程可知，7～10级晶粒度要求使钢管的生产变得非常复杂，也提高了制造成本；因此，GB/T 5310—2017标准中关于晶粒度的规定值得商榷。建议冶金、锅炉行业等研究“粗晶+喷丸”S30432钢管的相关性能，以促进该钢种的发展。

3 S30432钢管的晶间腐蚀试验问题

“贫铬论”是解释晶间腐蚀现象的主流理论。该理论认为，M23C6碳化物沿晶界析出，Cr原子因半径大而不易扩散，这导致贫Cr带的出现，材料会发生选择性晶间腐蚀现象。晶间腐蚀的发生取决于三个必要条件，即材料本身（主要是Cr含量）、介质、敏感温度区（敏化）。

S30432钢管的w（C）为0.07%～0.13%，其成分设计之初就没有考虑材料的抗晶间腐蚀问题［8］。一定程度上，要求S30432钢管具有抗晶间腐蚀性能，这扭曲了开发者的本意。

晶间腐蚀风险主要有三处关键节点，分别是在制产品水压试验、储运和锅炉机组投运初期。控制水中Cl-含量，储运过程中对产品进行适当保护，尽力保证钢管干燥，严格防范水中Cl-发生浓缩现象，使其不具备产生晶间腐蚀的条件，可有效避免S30432钢管的晶间腐蚀发生。锅炉机组投运之后，M23C6的析出速率降低，晶界贫Cr缓和，S30432钢管基本不会发生晶间腐蚀现象。

ASME SA 213/SA 213M—2019附录规定，需敏化处理之后再进行晶间腐蚀的钢种仅包括低碳奥氏体钢和足够（Ti、Nb）/C比值的稳定化钢种。S30432钢管的C含量较高、Nb/C比值较低，不属于稳定化钢种，应在固溶态（交货态）下进行晶间腐蚀试验。

4 制造过程对于S30432喷丸层的影响

4.1 喷丸钢管的抗蒸汽氧化性能

S30432钢管主要用来制造超（超）临界锅炉受热面的高温过热器和再热器，服役工况恶劣。钢管外壁为高温烟气，可能发生气相腐蚀和熔盐腐蚀；与外壁相比，钢管内壁的汽水氧化腐蚀危害更大，氧化皮脱落后沉积于管屏弯头处，造成堵塞，汽水流量减小，冷却能力下降，钢管长时过热或短时过热后强度不足，导致爆管或停机，损失严重。

决定材料抗氧化性能的关键是Cr含量。美国B&W研发中心检测了不同Cr含量材料的抗蒸汽氧化情况，如图4所示。可见，材料在650～800℃温度的抗氧化性能随Cr含量的提高而增强，Cr含量在20%以上的各材料抗氧化性能相当，Cr含量高于25%时材料的抗氧化性能难以继续改善。

图4 不同Cr含量材料的抗蒸汽氧化情况（以S304H腐蚀量为基准1）

S30432钢管的Cr含量在18%左右，尽管晶粒细小，但在超（超）临界锅炉参数下其抗氧化性能仍然略显不足，因此日本率先开发了内壁喷丸技术。

不同表面状态下的奥氏体不锈钢的抗氧化机理如图5所示。结合图2可以看出，喷丸导致S30432钢管内壁近表面的晶粒碎化，沿壁厚向远处依次形成多滑移层、单滑移层，为Cr的扩散提供了短程通道。高温水蒸汽条件下，依靠Cr的快速扩散，水中结合氧与Cr迅速结合，生成致密的Cr2O3层，阻断了O的进一步扩散，大大降低了此后的氧化速率，从而达到抗氧化性能的目的。图4与图5相互印证，如果材料的Cr含量足够高。例如，25-20型S31042（HR3C），钢管自身的Cr即可形成致密Cr2O3层，不需要通过喷丸来提高抗氧化性能；而对于18-8型S30432钢管，喷丸加快了Cr的扩散，相当于变相提高了钢管内表面层的Cr含量。喷丸还可以获得附加的好处，钢管内壁处于压应力状态，提高其抗疲劳和抗应力腐蚀性能［10，19-20］。

图5 不同表面状态下的奥氏体不锈钢的抗氧化机理示意

此外，碎化晶层的X衍射磁性峰微弱，表明喷丸基本没有诱发具有磁性的体心立方马氏体，无损钢管的耐蚀性能。与传统18-8型奥氏体钢相比，S30432钢管具有更好的奥氏体稳定性，这可能与其含有N有关。N可强烈提高奥氏体稳定性参量，使开始形成马氏体所需的应变量显著增加［21］。

材料在高温水环境中发生氧化是必然，核心问题是氧化程度是否可以接受，或者说能否适应锅炉机组的安全运行。改善途径无非两种，一是氧化皮不易脱落，例如9Cr钢氧化皮附着力强，危害程度明显低于不锈钢；二是从源头减少氧化皮的生成，喷丸即属于这种途径。

工程实践表明，喷丸促进了致密的富Cr氧化膜快速形成，极大地降低了后期的氧化速度，喷丸S30432钢管已经达到绝对抗氧化级别，氧化性能与S31042（HR3C）相当甚至更优。随着时间的延长，即便致密的富Cr氧化膜也会氧化，但其氧化速度足够缓慢，影响不大。由于喷丸效果明显而且经济，目前已经广泛应用于其他钢种（如TP347H等）。

4.2 制造过程的影响

锅炉受热面制造过程中，S30432钢管将经历焊后热处理、弯管以及管头固溶处理等，喷丸层的抗氧化性能是否能继续保持，晶粒碎化层是否会影响弯管性能等，也是目前各方关注的问题之一。

S30432钢管与奥氏体钢管焊接后，一般不需要进行热处理；与T91等铁素体钢管焊接时，通常需要进行温度不超过770℃的高温回火。

文献［22］指出，喷丸S30432钢管的弯曲、压扁试验结果合格；对钢管进行7%～14%拉伸变形（模拟弯管），喷丸层的碎化晶层形态未见改变，喷丸层硬度无变化。这些都表明喷丸层对S30432钢管的弯管性能等无影响。但喷丸层为不稳定组织，碎化变形越剧烈，储存的变形能就越高；随着温度的提高，变形能释放，驱动变形晶粒发生回复再结晶。喷丸层再结晶时，其组织趋近于未喷丸母管，喷丸层贡献的抗氧化性能将不复存在。

东方锅炉公司研究了产品制造过程对喷丸S30432钢管的抗蒸汽氧化行为的影响，试验材料为国产S30432内喷丸钢管。结果表明，800℃以下热处理对于喷丸层抗蒸汽氧化性能基本无影响，热弯弯管（1 000℃以上）后喷丸层变形晶粒基本完全回复或发生再结晶，内壁60μm处的硬度与基体的硬度基本相同。不同热处理状态下喷丸S30432钢管的水蒸汽氧化试验结果见表1。

表1 不同热处理状态下喷丸S30432钢管的水蒸汽氧化试验结果

从表1可以看出，与未热处理相比，经650～800℃热处理的喷丸S30432钢管的抗氧化性能基本没有变化。原因是：热处理时，喷丸层表面会快速形成一层结构致密的富Cr氧化膜，这阻碍了Fe原子向外扩散，抑制了氧化膜分层的发生。此后的620℃水蒸汽氧化过程中，在这层膜的保护作用下，材料的氧化速率大大降低。

可以推断，800℃以下热处理，S30432钢管的喷丸层主要发生回复，没有发生再结晶。喷丸层回复将导致变形组织退化，滑移带和滑移系统数量减少，向表面输送Cr原子的能力降低。620℃水蒸汽氧化时，热处理形成的富Cr氧化膜抑制了氧化速度，减少了钢管蒸汽侧表面的Cr原子需求，Cr扩散迁移能力下降未对钢管的抗氧化性能造成实质影响。文献［23］报道了加热温度对S30432钢管内喷丸处理效果的影响，认为将S30432钢管加热至650～750℃，喷丸层仍保持良好的向外表面输送Cr原子的能力，加热至775～850℃时喷丸层的变形组织会发生不同程度的退化，向外表面输送Cr原子的能力降低。该结果与东方锅炉公司研究结果基本一致，不同在于文献［23］未考虑热处理形成的富Cr氧化膜造成的Cr原子输送需求降低的影响。

综上所述，采用喷丸S30432钢管制造超（超）临界锅炉受热面过程中，800℃以下热处理不会对喷丸层的抗氧化性能造成影响，喷丸层的高硬度晶粒碎化层也不会影响钢管的成形性能。要注意的是，焊后热处理形成的富Cr氧化膜对后续服役过程中S30432钢管的抗氧化行为有着重要影响，工程中应注意对于这层氧化膜的保护，勿划伤或使其剥离。喷丸S30432钢管热弯弯管或重新固溶处理后，喷丸变形层将回复或再结晶，材料的抗氧化性能回归于未喷丸钢管水平。但不必过于担心，因为弯头在受热面管系中的占比很小，形成的氧化皮总量小，不足以影响锅炉机组的安全运行。

5 结 语

（1）国产S30432钢管的实物质量满足相关标准要求，喷丸层质量可靠，达到进口钢管水平。

（2）要求S30432钢管的晶粒度在8级以上没有必要，且这种要求可能会使产品存在较大质量风险。建议后续研究“粗晶+喷丸”S30432钢管的性能。

（3）S30432钢管具有一定程度的晶间腐蚀倾向，在制造、储运和锅炉机组投运初期应予以关注，杜绝晶间腐蚀发生条件的产生。

（4）喷丸S30432钢管的抗氧化性能极佳，800℃以下温度热处理不会对其抗氧化性能产生影响。焊后热处理形成的富Cr氧化膜对服役S30432钢管的抗氧化性能有重要影响，工程中应注意对该氧化膜的保护。