奥氏体耐热钢锅炉管磁性能实验分析

针对高温服役后奥氏体耐热钢锅炉管出现较高磁性问题，采用磁感应强度测量仪、奥氏体氧化物检测仪、综合物性测量系统（VSM）进行测试，进行热处理实验及显微组织分析，测试分析了TP304H、TP347H、S30432等奥氏体耐热钢新样品、高温服役样品及其碳化物的磁性能(磁当量、磁感应强度、磁化强度、饱和磁化强度、剩磁、矫顽力、磁滞回线等)。结果表明：具有铁磁性的α´-马氏体及其相变体积膨胀引起较高内应力产生的磁性和具有弱铁磁性碳化物产生的磁性共同引起在役奥氏体耐热钢出现较高磁性，其中碳化物引起的磁性可以忽略不计。

奥氏体耐热钢由于具有较高的蠕变强度、良好的组织稳定性和抗烟气腐蚀性能，自20世纪50年代开始作为300 MW及以上电站锅炉高温过热器（高过）和高温再热器（高再）材料，该种材料主要包括TP304H、TP347H、12Cr18Ni12Ti等18-8系列粗晶型奥氏体耐热钢和TP347HFG、S30432、HR3C等新一代奥氏体耐热钢。由于奥氏体耐热钢锅炉管存在蒸汽侧氧化皮易剥落，剥落的氧化皮会在锅炉管下弯管内堆积引起严重超温，从而引发爆管。

目前，检测奥氏体耐热钢锅炉管内氧化皮堆积的常用方法为磁性法，该方法的基础为奥氏体耐热钢为顺磁性，而其蒸汽侧氧化皮具有强磁性，然而以往在利用磁性法检测时，经常遇到奥氏体耐热钢锅炉管自身存在明显磁性，干扰了检测结果。强文江等对TP304H锅炉管内壁氧化皮的磁性进行了检测，谢国胜等对锅炉典型用钢T23、T91、TP304H、TP347H及氧化皮进行了磁性测试。

对奥氏体锅炉管及内壁氧化皮的磁性能全面系统分析的报道较少，本文通过服役前后的TP304H、TP347H和S30432等3种材料锅炉管及其萃取的碳化物、内壁氧化皮及P91对比样品的磁性能测试，分析奥氏体耐热钢锅炉管服役前后的磁性能及其变化规律，为研究奥氏体耐热钢锅炉管引起磁性转变原因、微观组织变化及材质状态评估提供技术依据浙江不锈钢管厂家。

1实验材料和方法

实验共使用14个样品，包括TP304H、TP347H和S30432等3种材料新样品和2个服役样品、3个碳化物（1-2、2-2、3-3）、1个S30432蒸汽侧氧化皮样品和1个P91对比样品，实验样品参数见表1。

使用磁感应强度测量仪和OSD-12型奥氏体氧化物检测仪进行磁感应强度和磁当量测试；使用VersaLab型综合物性测量系统（VSM）进行磁化强度（外加磁场强度30 000 Oe）和磁滞回线（外加磁场强度30 000 Oe和1 000 Oe）测试；使用VSM进行（M-T）测试，温度为‒223～127℃，先降温后升温；使用电解法萃取样品中的碳化物；使用电控热处理炉进行热处理试验；在OLYMPUS GX71光学显微镜下进行微观组织观察。

2实验结果及分析

2.1磁当量和磁感应强度

对3个新样品（1-1、2-1、3-1）和3个服役样品（1-3、2-3和3-3）沿管材环向八等分进行磁当量和磁感应强度测试，发现3个新样品无明显磁当量（约20）和磁感应强度（0.01 mT），3个服役样品具有较高的磁当量和磁感应强度（图1），且沿管材环向变化较大，其最大值为3-3号样品（1 323和2.44 mT）。

2.2饱和磁化强度

由图2可见：氧化皮和P91样品具有呈水平的典型饱和磁化强度，氧化皮在2 000 Oe外加磁场下达到饱和（70 emu/g），P91在4 000 Oe磁场下达到饱和（190 Oe）；本实验在外加最大磁场30 000 Oe下，奥氏体耐热钢呈无水平的饱和磁化强度特征，新样品与外加磁场呈线性关系，且斜率很小，外加磁场30 000 Oe下磁化强度约为0.6 A/m；随着外加磁场的增大，服役样品的磁化强度先快后慢升高后呈线性变化，即存在一个拐点；由取自同台锅炉部件的3-2和3-3可知，随着服役时间的延长，磁化强度呈增大趋势。

2.3磁滞回线

样品的磁滞回曲线如图3—图7所示，由图3—图7可见：新样品的磁滞回线为直线，无磁滞现象，呈顺磁性，磁化强度、剩磁和矫顽力较低，外加磁场30 000 Oe时磁化强度为0.646~0.750 emu/g；服役样品均有明显磁滞现象，呈弱铁磁性，存在明显磁化强度、剩磁和矫顽力，TP304H、TP347H和S30432在外加磁场30 000 Oe时的最大磁化强度分别为1.209、0.899和2.321 emu/g，最大剩磁分别为0.056、0.005和0.406 emu/g，最大矫顽力分别为53、40和58 Oe；碳化物样品均有磁滞现象，呈弱铁磁性，存在磁化强度、剩磁和矫顽力，3个样品在外加磁场1000 Oe时的磁化强度分别为0.119、0.122和0.243 emu/g，剩磁分别为0.012、0.016和0.063 emu/g，矫顽力分别为74、72和142 Oe。

2.4磁化强度与温度的关系

为了考察奥氏体耐热钢的磁化强度与温度（M-T）的关系，对1-3和3-3号样品进行（M-T）测试，结果如图8所示，样品（M-T）测试前后的微观组织形貌如图9和图10所示。

由图8—图10可见：2个服役样品的奥氏体向马氏体转变开始温度Ms分别为‒149℃和‒35℃；在室温升至127℃时，磁化强度未见突变点；从‒223℃升至127℃时，磁化强度明显高于降温过程中的磁化强度，微观组织中可见存在深冷诱发的马氏体组织。

2.5热处理对服役样品磁性的影响

样品热处理后的磁感应强度和磁滞回线如图11所示，由图11可见：热处理后的不同冷却方式对样品的磁感应强度无影响；热处理冷却后90 h内磁感应强度为0，随放置时间的延长，磁感应强度逐渐回升，即发生逐渐自发磁化现象，但仍远小于热处理前。热处理后的磁化强度显著低于未热处理时，可能缘于发生了高温退磁现象。

3分析讨论

奥氏体耐热钢新样品的磁当量、磁感应强度、磁化强度、剩磁和矫顽力均较小，无磁滞现象，磁化强度和磁滞回线与外加磁场呈线性关系，且斜率很小，表现为顺磁性，即新样品的奥氏体组织呈顺磁性。

服役样品存在明显的磁当量、磁感应强度、磁化强度、剩磁、矫顽力和磁滞现象，表现为弱铁磁性；磁当量和磁感应强度沿管材环向变化较大，造成这种环向差异的原因与锅炉管服役条件下环向金属壁温不同有关，壁温不同引起锅炉管微观组织沿环向存在差异；随外加磁场的升高，磁化强度升高后呈线性变化，在外加最大磁场30 000 Oe下，无水平的典型饱和磁化强度特征；随着服役时间的延长，服役样品的磁化强度呈增大趋势；服役样品的奥氏体向马氏体转变开始温度Ms均较低，经深冷后服役样品的磁化强度明显高于深冷前的磁化强度，微观组织中可见存在深冷诱发的马氏体组织；热处理后的冷却方式对样品的磁感应强度无影响，热处理后存在高温退磁和自发磁化现象，自发磁化为磁性材料在无外加磁场的情况下，由于近邻原子间电子的交换作用或其他相互作用，使物质中各原子的磁矩在一定空间范围内呈有序排列而达到磁化。

奥氏体耐热钢锅炉管服役样品的组织除奥氏体基体外，还存在α’-马氏体、马氏体和析出的碳化物颗粒，文献已介绍了2种马氏体组织及其转变机理，α’-马氏体具有较高磁化强度、马氏体未知；碳化物样品也存在明显的磁化强度、剩磁、矫顽力和磁滞现象，呈弱铁磁性。将碳化物的磁化强度按照在样品基体中的质量占比换算到基体中（表2），可以看出，碳化物磁化强度占比较低，最高为5.08%。由此可知，相对于α’-马氏体的铁磁性，因碳化物的相对量较少，其引起的磁性可忽略不计。

另外，奥氏体耐热钢服役样品在γ→α’相变时，因晶体的致密度变小（γ致密度为0.74，α’致密度为0.68）引起体积膨胀导致产生较高内应力，进而引起磁性。综上所述，具有铁磁性的α’-马氏体及其相变体积膨胀引起较高内应力产生的磁性和具有弱铁磁性碳化物产生的磁性共同引起在役奥氏体耐热钢出现较高磁性，其中碳化物引起的磁性可忽略不计。