電站鍋爐奧氏體不銹鋼管晶間腐蝕開裂分析

譚曉蒙，邢敬舒，田 峰，陳 浩，張 濤

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

奧氏體不銹鋼由于其較高的蠕變強(qiáng)度和優(yōu)良的耐蝕性，廣泛應(yīng)用于電站的高溫受熱面管、流體輸送管等部件［1］。由于服役環(huán)境惡劣以及加工工藝不當(dāng)，電站鍋爐中的奧氏體不銹鋼管道開裂泄漏故障時有發(fā)生［2-4］。通過對大量奧氏體不銹鋼管開裂失效原因分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)不合理的焊接熱處理、冷加工所引發(fā)的晶間腐蝕開裂是失效的重要原因。為保障電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，減少因奧氏體不銹鋼管道開裂泄漏引發(fā)的停機(jī)，對常見的奧氏體不銹鋼管道晶間腐蝕開裂失效原因進(jìn)行分析探討，以期對服役在相似環(huán)境下的奧氏體不銹鋼管道的焊接、熱處理提供參考。

1 奧氏體不銹鋼管道的晶間腐蝕開裂

電站中奧氏體不銹鋼管道的服役溫度常常處于奧氏體不銹鋼的敏化溫度區(qū)間內(nèi)，在運(yùn)行過程晶間腐蝕傾向嚴(yán)重，受到熱脹應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力的影響，極易發(fā)生晶間腐蝕開裂。為研究電站鍋爐奧氏體不銹鋼管道晶間腐蝕開裂原因及其防護(hù)措施，提高服役安全性，對某地區(qū)電站近年來部分奧氏體不銹鋼管道開裂泄漏失效案例進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。可見，電站中奧氏體不銹鋼管道晶間腐蝕開裂多發(fā)于焊接接頭附近及彎管處，且開裂管材質(zhì)均為非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼（TP304H）。

表1 某地區(qū)電站鍋爐奧氏體不銹鋼管道開裂失效原因

1.1 焊接對晶間腐蝕開裂的影響

焊接是電站鍋爐、汽機(jī)、連接管道等部件最主要的接合工藝。奧氏體不銹鋼管道間的對接、與其他部件的連接均大量使用焊接工藝。奧氏體不銹鋼管道的焊接過程中，不當(dāng)?shù)暮附庸に嚂沟煤缚p附近長時間處于敏化溫度區(qū)間，造成鋼管敏化，降低鋼管的塑韌性和耐腐蝕性能；而且在電站鍋爐運(yùn)行中，管道受到焊接應(yīng)力、熱脹應(yīng)力、加工殘余應(yīng)力的作用，易使其在鍋爐的氧化氣氛中沿晶界開裂［5］。焊接工藝控制不當(dāng)，以及焊后未正確進(jìn)行固溶處理（或穩(wěn)定化處理）是電站奧氏體不銹鋼管道焊縫及其熱影響區(qū)晶間腐蝕開裂的重要原因。

1.2 冷彎加工對晶間腐蝕開裂的影響

冷彎加工是電站中奧氏體不銹鋼管道使用較多的冷加工工藝。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中對彎管后的熱處理無明確要求，因而鍋爐制造廠在生產(chǎn)奧氏體不銹鋼管時，一般只需滿足ASME 標(biāo)準(zhǔn)“奧氏體材料的冷加工成型”中要求：只要將管子的公稱外徑與管子中心線公稱彎曲半徑的比例控制在一定范圍，即可在冷加工后免做固溶處理［5］。在實(shí)際生產(chǎn)中，鍋爐制造廠、鋼管制造廠一般會控制彎曲加工量在規(guī)程要求極限附近，從而免于固溶處理工序，但由于工藝控制等因素，實(shí)際加工變形量可能會超過標(biāo)準(zhǔn)，而且在電站的裝配過程中，還存在現(xiàn)場進(jìn)行的冷彎加工，無法對加工量進(jìn)行正確控制，這使得部分彎管殘留較大的彎曲應(yīng)力。而奧氏體不銹鋼受熱面管常常服役于其材質(zhì)的敏化溫度區(qū)間內(nèi)，在彎管處殘余應(yīng)力的作用下，造成沿晶開裂，進(jìn)而引發(fā)事故。

2 典型案例分析

某電站300 MW 亞臨界鍋爐屏式再熱器TP304H鋼管多次發(fā)生開裂，鋼管外壁焊有大量抓釘（固定澆注料用）?，F(xiàn)場事故分析中發(fā)現(xiàn)，屏式再熱器鋼管裂紋分布于鰭片及抓釘焊接熱影響區(qū)附近，裂紋沿周向開裂，如圖1 所示。屏式再熱器管屏有較大彎曲形變，管壁開裂處變形量較大，如圖2 所示。表2 為電站鍋爐常用受熱面管材料在400～500 ℃間的膨脹系數(shù)，可見相比于其他鍋爐管材料，TP304H 奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)較大。在運(yùn)行過程中，TP304H 管屏受熱發(fā)生膨脹，如果軸向膨脹受阻，則發(fā)生彎曲變形，從而在鋼管局部殘余較大的彎曲應(yīng)力。

圖1 屏式再熱器TP304H 鋼管開裂失效形貌

圖2 屏式再熱器管屏彎曲變形

表2 鍋爐管常用材料在400～500 ℃之間線膨脹系數(shù)

對開裂的鋼管從裂紋處取樣進(jìn)行顯微組織分析，如圖3 所示。裂紋由外壁沿晶界向內(nèi)壁擴(kuò)展，并伴有晶粒脫落。裂紋處奧氏體晶內(nèi)存在大量滑移線，可見開裂處管段有較大變形量及殘余應(yīng)力。對相鄰的屏式再熱器管進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多根鋼管外壁有沿晶裂紋和晶粒脫落現(xiàn)象。

屏式再熱器管屏需在該位置焊接抓釘以固定防磨澆注料，抓釘焊接與鰭片焊接均在現(xiàn)場完成，焊接后未進(jìn)行固溶處理。密集的抓釘焊接所產(chǎn)生的循環(huán)熱會使得奧氏體鋼管處于敏化溫度區(qū)間內(nèi)，在晶界上析出M23C6（M=Fe、Cr）型富鉻碳化物，這種沿晶界析出的鉻的碳化物導(dǎo)致其周圍基體中的鉻濃度的降低，形成所謂“貧鉻區(qū)”［6］。當(dāng)鉻的碳化物沿晶界析出呈網(wǎng)狀時，貧鉻區(qū)亦連接呈網(wǎng)狀。運(yùn)行中管屏膨脹不暢所造成的彎曲變形使得管屏局部殘存較大的彎曲應(yīng)力，而鋼管的預(yù)變形會加快貧鉻區(qū)的形成［7］。當(dāng)貧鉻區(qū)的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定數(shù)值時，奧氏體不銹鋼會發(fā)生晶間脆化，并在熱脹應(yīng)力、彎曲應(yīng)力的誘導(dǎo)下在管壁形成宏觀上的周向裂紋。

圖3 開裂屏式再熱器鋼管顯微組織

3 預(yù)防措施

3.1 不銹鋼材質(zhì)更換

一般情況下，非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼不進(jìn)行焊后熱處理。DL／T 869 《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定奧氏體不銹鋼管，采用奧氏體焊接材料焊接，其焊接接頭不宜進(jìn)行焊后熱處理［8］；文獻(xiàn)［9］ 認(rèn)為奧氏體不銹鋼焊后熱處理會引發(fā)再熱裂紋傾向。因而對于非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼管道由于焊接造成管材敏化，進(jìn)而發(fā)生晶間腐蝕開裂的問題，宜采用材質(zhì)更換，如更換為穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼（如TP347H）來解決。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼管較少發(fā)生由于晶間腐蝕引發(fā)的沿晶開裂失效。并且，更換材質(zhì)后，應(yīng)嚴(yán)格把控焊接工藝，采取低電流、小熱輸入量的焊接工藝，焊后應(yīng)加快冷卻速度，并根據(jù)材質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的固溶處理。

3.2 不銹鋼的熱處理

奧氏體不銹鋼管的熱處理主要有固溶處理、穩(wěn)定化處理、去應(yīng)力處理。電站中的奧氏體不銹鋼管道運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，運(yùn)行中常處于敏化溫度區(qū)間或者腐蝕環(huán)境中，因此若管材在冷加工后熱處理不足，殘存的應(yīng)力會加速不銹鋼鋼管的晶間腐蝕開裂或引發(fā)應(yīng)力腐蝕。生產(chǎn)制造過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制冷加工變形量，并在加工變形后根據(jù)鋼管材質(zhì)對鋼管進(jìn)行相應(yīng)的固溶處理或去應(yīng)力處理。

4 結(jié)語

焊接過程的循環(huán)熱會使得非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼處于敏化溫度區(qū)間內(nèi)，繼而誘發(fā)晶間腐蝕，在外加、殘余應(yīng)力的作用下，極易發(fā)生沿晶開裂。因此，需大量焊接或晶間腐蝕開裂多發(fā)處管屏管材應(yīng)更換為穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼。

電站鍋爐中奧氏體不銹鋼管道多服役于惡劣環(huán)境（敏化溫度區(qū)間、腐蝕環(huán)境）中，運(yùn)行中管道晶間腐蝕傾向嚴(yán)重，而管道的冷彎加工變形量過大或固溶處理不足，就會在彎管處殘余較大應(yīng)力，進(jìn)而誘發(fā)開裂失效。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制奧氏體不銹鋼管道的加工變形量，并對變形量較大的管段進(jìn)行相應(yīng)的熱處理。