700 MW 亞臨界鍋爐三級過熱器TP347HFG 鋼失效分析

李文華 ， 柯安鵬

（廣東省粵電集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東 珠海 519060）

0 引言

目前，我國火力發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向?yàn)楦咝?、超潔凈排放發(fā)電技術(shù)，要達(dá)成這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于如何提高機(jī)組的熱效率，而提高鍋爐的蒸汽參數(shù)（溫度、壓力）是主要途徑[1-2]。鍋爐的蒸汽參數(shù)主要受金屬材料性能的限制，隨著機(jī)組容量的增大，鍋爐受熱面如高溫過熱器和再熱器的工作溫度升高，對金屬材料在耐熱性能和抗氧化性能等方面要求越高[3-5]。因應(yīng)大容量鍋爐的需要，新型奧氏體耐熱鋼成為電站600 ℃左右蒸汽溫度服役的關(guān)鍵材料[6]。

SA213-TP347HFG 不銹鋼是日本住友集團(tuán)在SA213-TP347H 鋼的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，其與TP347H成分相同但加工制造、處理工藝不同。該鋼是用Nb 穩(wěn)定的Cr-Ni 奧氏體鋼且晶粒明顯細(xì)化，持久強(qiáng)度比ASME 規(guī)范的規(guī)定值高約20%，焊接性能、疲勞性能大大優(yōu)于常規(guī)的TP347H 鋼管，且具有較好的抗腐蝕性能、良好的組織穩(wěn)定性和更優(yōu)異的抗氧化及剝離性能。其化學(xué)成分見表1，供貨狀態(tài)為1 100 ℃以上固溶處理，力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求（表2）。由于其良好的綜合性能，TP347HFG奧氏體不銹鋼在過熱器和再熱器管等鍋爐高溫高壓受熱面管材中得到廣泛應(yīng)用，最高工作溫度可達(dá)650 ℃[7]。

表 1 TP347HFG 不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of TP347HFG stainless steel (mass fraction /%)

表 2 TP347HFG 不銹鋼力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of TP347HFG stainless steel

發(fā)電廠2 臺(tái)700 MW 鍋爐為日本三菱MBFRR 型2290 t/h 亞臨界強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，過熱器出口溫度為541 ℃，壓力為17.6 MPa，2000 年投產(chǎn)。鍋爐設(shè)計(jì)所用三級過熱器材料有SA213?T22、CASE2199、SA213?T91，但后來發(fā)現(xiàn)這些材質(zhì)過熱器易受吹灰器蒸汽吹灰磨損，大部分有明顯凹坑，僅1 a 左右時(shí)間就有部分爐管吹損超標(biāo)(吹損量最大達(dá)3.0～3.5 mm/a)，嚴(yán)重影響鍋爐安全運(yùn)行。但處在同樣區(qū)域的作為夾持管的SA213-TP347HFG 材料受吹損很少，5～6 a 僅吹損約1.3 mm，表現(xiàn)出極高的高溫耐磨性，因此，2006 年將易受吹灰影響區(qū)域的原材質(zhì)SA213?T22、CASE 2199、SA213?T91 各246 根 三 級 過 熱 器 改 造 為TP347HFG 材質(zhì)。

近期，一安全運(yùn)行78 800 h 的三級過熱器彎頭出現(xiàn)泄漏，規(guī)格為?48.6 mm×9.7 mm，材質(zhì)SA213?TP347HFG（圖1），泄漏口未見明顯氧化物剝離和吹灰磨損減薄現(xiàn)象。由于這是該廠SA213?TP347 HFG 過熱器管第1 次出現(xiàn)泄漏，分析造成泄漏的原因?qū)φ莆赵撆牧戏矍闆r和預(yù)防類似事故具有重大的意義。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 硬度測試

《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對火力發(fā)電廠所使用的金屬材料硬度做了較具體的要求，若金屬材料在服役期硬度不符合該規(guī)程則可能對鍋爐的安全運(yùn)行造成重大威脅，同時(shí)硬度可反映其力學(xué)性能狀況，因此硬度分析是火力發(fā)電廠金屬監(jiān)督必不可少的環(huán)節(jié)。規(guī)程規(guī)定TP347HFG 鋼硬度值標(biāo)準(zhǔn)為≤HB 192，控制范圍為HB 140～192[8]。對爆管樣泄漏口左側(cè)5 mm 處按環(huán)狀每隔120°共取3 個(gè)試樣進(jìn)行布氏硬度分析，結(jié)果為HB162～175，符合規(guī)程的要求。

圖 1 SA213?TP347HFG 過熱器管泄漏宏觀圖Fig.1 Leakage spots of TP347HFG stainless steel superheater tube

1.2 金相組織分析

TP347HFG 鋼為高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼，熱處理工藝是1 100 ℃以上溫度進(jìn)行固溶處理，顯微組織為單相奧氏體組織，伴有細(xì)小彌散的碳化物（如NbC、Cr23C6等）分布在基體起釘扎強(qiáng)化作用，鋼中加Nb 后會(huì)抑制M23C6的析出，使M23C6的析出時(shí)間推遲[9]。TP347HFG 不銹鋼供亞臨界超臨界鍋爐用鋼晶粒度在7 級左右，圖2 為備件TP347 HFG 鋼（與爆管同批采購）新管的顯微組織，晶粒度7～9 級，符合ASME 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于SA213?TP347HFG鋼的使用條件要求。截取此次爆管斷口右側(cè)5 mm處一段材料制作金相試樣進(jìn)行組織分析，腐蝕液為3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氯化鐵鹽酸酒精溶液，可見晶粒度較大，達(dá)到3～4 級，晶粒明顯變粗（圖3）。圖4為同一根爐管遠(yuǎn)離斷口1 m 處金相組織，晶粒度也較大，達(dá)到4～5 級。綜上所述，TP347HFG鋼晶粒是在服役時(shí)長大的，原因?yàn)樵搮^(qū)域爐管長期超溫運(yùn)行（該廠三級過熱器設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為549 ℃，實(shí)際部分區(qū)域可達(dá)850 ℃）。

圖 2 TP347HFG 不銹鋼原始顯微組織Fig.2 Microstructure of TP347HFG stainless steel

圖 3 TP347HFG 不銹鋼斷口右側(cè)5 mm 處顯微組織Fig.3 Microstructure of area 5 mm away from fracture of TP347HFG stainless steel

晶粒度長大會(huì)造成材料硬度等力學(xué)性能一定程度的下降，所以爆管是否由晶粒粗大引起應(yīng)結(jié)合此時(shí)的硬度值分析。由硬度分析可知，該處TP347HFG 不銹鋼顯微組織晶粒度滿足高溫使用要求，因此晶粒粗大不是造成此次三級過熱器爆管的直接原因，但揭示出該段三級過熱器TP347HFG不銹鋼在長期高溫工況下晶粒長大傾向即原子運(yùn)動(dòng)的能力較強(qiáng)，有必要繼續(xù)從顯微組織方面入手分析造成爆管的原因。

圖 4 TP347HFG 不銹鋼遠(yuǎn)離斷口1 m 處顯微組織Fig.4 Microstructure of area 1 m away from fracture of TP347HFG stainless steel

1.3 斷口裂紋分析

從斷口取一段橫截面進(jìn)行SEM 電鏡分析其裂紋形態(tài)和基體組織。由圖5 可知斷口橫截面上存在二次裂紋，且為沿晶裂紋；從圖6 橫截面基體顯微組織可見晶界有大量非連續(xù)微孔洞，這些孔洞處對腐蝕極其敏感，極有可能是造成爆管的裂紋源。考慮到TP347HFG 不銹鋼特點(diǎn)是奧氏體基體加大量細(xì)小彌散的碳化物且高溫下原子運(yùn)動(dòng)能力較強(qiáng)，這些微裂紋是由于晶界碳化物長大導(dǎo)致的晶界貧鉻造成的。從圖7 晶界可見大量白色粒子，能譜分析結(jié)果表明其為Cr 的碳化物Cr23C6（圖8），證實(shí)了晶界貧鉻是造成此次爆管的重要因素，導(dǎo)致爐管沿晶斷裂（從圖9 可見典型的沿晶斷裂形貌）。

圖 6 斷口橫截面基體顯微組織Fig.6 Microstructure of the fracture

圖 7 斷口橫截面顯微組織Fig.7 Microstructure of the fracture

圖 8 晶界白色粒子能譜分析Fig.8 Energy spectrum analysis of the white particle in the grain boundary

圖 9 斷口掃描電鏡形貌Fig.9 SEM micrograph of the fracture

2 結(jié)果與討論

雖然奧氏體不銹鋼有較高的抗腐蝕性能，但其有應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕等傾向，其中危險(xiǎn)最大的是晶間腐蝕[10]。在一定的溫度范圍（450～850 ℃），奧氏體內(nèi)的過飽和碳會(huì)與固溶體的鉻結(jié)合形成Cr23C6碳化物在晶界沉淀析出，由于碳原子向晶粒間界的擴(kuò)散速度大于鉻原子的擴(kuò)散速度，因此，在碳化物周圍的固溶體內(nèi)即在晶粒間界及其鄰近的區(qū)域的鉻由于Cr23C6的析出而含量大大降低，而晶內(nèi)的鉻又來不及向晶界擴(kuò)散，因而形成貧鉻區(qū)，引發(fā)晶間腐蝕傾向，基體的電極電位下降，其耐腐蝕性也大大降低[11]。因此碳化物沉淀(Cr23C6)析出的溫度450～850 ℃也稱為不銹鋼晶間腐蝕的敏化溫度[12]。SA213?TP347HFG 爐管的工作溫度剛好處于此敏化區(qū)間，極易在晶界產(chǎn)生碳化物Cr23C6，通過能譜分析奧氏體晶界白色析出物也證明確實(shí)有Cr23C6沉淀的存在。

發(fā)電廠鍋爐的“四管”，特別是三級過熱器，長時(shí)間在高溫有時(shí)甚至是超溫條件下工作，比在常溫下對腐蝕介質(zhì)更敏感，尤其是在疊加加工殘余應(yīng)力或熱應(yīng)力的情況下。該段三級過熱器彎頭處雖無金屬溫度測點(diǎn)，但從其晶粒組織明顯粗大推測其超溫溫度較高，時(shí)間較長。一是彎頭處蒸汽流動(dòng)阻力較大，鍋爐升爐期間此處過熱器管若疏水不暢，容易導(dǎo)致超溫現(xiàn)象。二是此處若有脫落氧化皮或雜質(zhì)堆積，亦會(huì)造成超溫運(yùn)行，在鍋爐吹管階段應(yīng)予以注意。因此，長期超溫工況下的晶間腐蝕導(dǎo)致了此次SA213?TP347HFG 三級過熱器的爆管。

3 改進(jìn)措施

SA213?TP347HFG 不銹鋼由于其優(yōu)秀的高溫力學(xué)性能、抗腐蝕性能在亞臨界超臨界鍋爐得到大量應(yīng)用，但并不表示可以忽略對此種金屬材料的監(jiān)督。該事故提示應(yīng)該加強(qiáng)如下工作：

1）嚴(yán)格控制鍋爐不超溫運(yùn)行，及時(shí)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整或合理安排吹灰使其在推薦的工作溫度范圍內(nèi)，不超極限允許溫度（設(shè)計(jì)極限溫度為585 ℃）。金屬溫度測點(diǎn)應(yīng)合理安排位置，增加測點(diǎn)數(shù)量也是較好的選項(xiàng)。

2）加強(qiáng)鍋爐汽水品質(zhì)監(jiān)督，特別是Cl－、游離氧的控制（Cl－、游離氧會(huì)加劇晶界腐蝕傾向），品質(zhì)不合格時(shí)加強(qiáng)排污，若超允許值上限，則應(yīng)打閘停機(jī)，對鍋爐重新?lián)Q水。

3）對此批次所更換的SA213?TP347HFG 管材彎頭進(jìn)行無損探傷（射線探傷或滲透探傷），若發(fā)現(xiàn)微小裂紋的存在，應(yīng)及時(shí)更換，微小裂紋往往是造成爆管的危險(xiǎn)源。在有條件的情況下，應(yīng)對SA213?TP347HFG 管材進(jìn)行高溫力學(xué)性能抽檢，確保不會(huì)由于奧氏體晶粒的長大而使其不能滿足高溫高壓工況要求。

4 結(jié)論

1）管材組織奧氏體晶粒長大，晶界處有碳化物Cr23C6析出，導(dǎo)致晶界貧鉻，抗腐蝕性能下降。

2）長期高溫甚至超溫工況下的晶間腐蝕導(dǎo)致了SA213?TP347HFG 三級過熱器的爆管。