TP347H不銹鋼末級再熱器彎管爆漏原因分析

鄭建軍，樊子銘，張 濤，孫云飛

(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020)

1 前言

TP347H鋼是一種利用均勻彌散分布的納米第二相實現(xiàn)基體強化的高溫用鋼，現(xiàn)已被廣泛用作超臨界機組的高溫過熱器和再熱器〔1,2〕。近年來，隨著TP347H鋼在火力發(fā)電機組中的應(yīng)用，其在服役過程中的一些爆管故障時有發(fā)生，這對機組的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生了嚴重的影響〔3-5〕。某電廠鍋爐型號為HG-1185/17.5-HM5，系哈爾濱鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、切向燃燒、侵濕排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉形式的單汽包自然循環(huán)鍋爐。2018年8月，該鍋爐末級再熱器在運行過程中內(nèi)節(jié)第一圈和第二圈的鋼管發(fā)生開裂泄漏。為查明末級再熱器彎管的泄漏原因，筆者對其進行了一系列檢驗與分析，旨在減少該類失效故障的發(fā)生。

2 材料及方法

發(fā)生故障的兩根末級再熱器彎管規(guī)格分別為?63×7.0 mm和?63×4.0 mm，材質(zhì)均為TP347H。首先，利用宏觀形貌觀察方法，判斷末級過熱器鋼管有無原始缺陷、氧化及腐蝕等痕跡、破口形式；然后，按照GB/T 11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》要求，使用SPECZROMAXx型臺式直讀光譜儀，對開裂的末級再熱器取樣進行化學(xué)成分分析，以確定其化學(xué)成份是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求；接著，按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》要求，使用CMT5305電子萬能試驗機，對末級再熱器彎管取樣進行常溫拉伸試驗，確定其屈服強度，抗拉強度和斷后伸長率變化情況；最后，按照DL/T 884-2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》要求，利用Axio Observer.Alm型金相顯微鏡，對發(fā)生故障的末級再熱器彎管進行金相組織檢測，確定其金相組織變化情況。

3 結(jié)果及分析

3.1 宏觀形貌觀察與分析

對開裂泄漏的末級再熱器彎管進行宏觀形貌觀察。從圖1(a)中可以看出，兩根鋼管上存在多處爆口，根據(jù)爆口形態(tài)基本可以分為兩類，第一類在內(nèi)節(jié)第二圈鋼管彎管段右側(cè)內(nèi)弧存在一處明顯的環(huán)向裂紋，裂紋長度約為30 mm，裂口開口較小，粗鈍，未見明顯塑性變形，裂口周圍未見明顯的機械損傷、腐蝕損傷及氧化皮等缺陷，如圖1(b)所示；第二類爆口管壁外壁光滑，壁厚減薄率達80 %以上、無明顯脹粗，且爆口向外翻開，部分位置有溝壑狀形貌，鋼管內(nèi)外壁均無明顯的氧化皮及機械損傷、腐蝕損傷等缺陷，具有較為明顯的吹損損傷形貌，如圖1(c)～圖1(e)所示。

圖1 末級再熱器各鋼管宏觀形貌

3.2 斷口微區(qū)檢測與分析

利用掃描電子顯微鏡(SEM)對末級再熱器內(nèi)節(jié)第二圈鋼管環(huán)向裂紋斷口進行微區(qū)形貌觀察與分析，如圖2所示?？梢钥闯?，末級過熱器鋼管斷口貫穿整個壁厚方向均為明顯的“冰糖塊狀”沿晶斷裂形貌，并伴有嚴重的二次裂紋，局部有明顯的晶粒脫落形貌。

圖2 末級再熱器彎管內(nèi)節(jié)第二圈鋼管環(huán)向開裂斷口形貌

3.3 化學(xué)成分檢測與分析

對開裂泄漏的末級再熱器彎管取樣進行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果見表1?？梢钥闯?，末級再熱器彎管中的P元素含量略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，其他元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310-2017〔8〕對TP347H鋼的材質(zhì)要求。

表1 末級再熱器彎管化學(xué)成分檢測結(jié)果 單位：%

3.4 顯微組織檢測與分析

通過金相組織的觀察結(jié)果可以看出，末級再熱器內(nèi)節(jié)第二圈鋼管環(huán)向裂紋處的組織主要由等軸奧氏體晶粒組成，部分晶粒內(nèi)存在少量的退火孿晶組織，斷口附近顯微組織表現(xiàn)出明顯的沿晶斷裂特征；還需要注意的是，個別晶粒中可以明顯觀察到由冷彎變形產(chǎn)生的滑移線，未見組織有明顯老化傾向，見圖3(a)。彎管裂口對側(cè)的組織為單相奧氏體并伴有孿晶，大部分晶粒內(nèi)也可以觀察到明顯的滑移線，未見明顯老化特征及異常晶粒長大，如圖3(b)所示。此外，鋼管的晶粒度不均勻，計算得到鋼管材料的平均晶粒尺寸為111.8 μm，依據(jù)評級標(biāo)準(zhǔn)其晶粒度為3.0～3.5級，不符合GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)中對TP347H材料的晶粒度為4～7級的要求。末級再熱器內(nèi)節(jié)第一圈鋼管漏點及漏點附近處的微觀組織均為單相奧氏體，晶粒呈等軸狀，晶粒尺寸分布不均勻，沒有觀察到明顯的老化特征及異常組織，并且漏點處無沿晶開裂特征，如圖3(c)和3(d)。通過計算可知該樣品的平均晶粒尺寸為47.4 μm，根據(jù)評級標(biāo)準(zhǔn)其晶粒度為5.5～6.0級，符合GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

圖3 末級再熱器彎管各部位金相組織

3.5 力學(xué)性能檢測與分析

對開裂的末級再熱器彎管正常部位取樣進行常溫拉伸性能測試，檢測結(jié)果見表2。從表中可以看出，該管材的各項常溫力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310-2017對TP347H鋼的要求。

表2 末級再熱器彎管力學(xué)性能檢測結(jié)果

4 分析與討論

通過宏觀形貌的觀察結(jié)果可以看出，末級再熱器內(nèi)節(jié)第二圈鋼管彎管段右側(cè)內(nèi)弧存在一處明顯的環(huán)向裂紋，為最早開裂部位，而其余漏點則為上述開裂部位泄漏的高溫高壓介質(zhì)吹損損傷所致；化學(xué)成分的檢測結(jié)果表面末級再熱器彎管的P含量略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，P元素含量略高，會在一定程度上增大材料的低溫脆性，對于在高溫環(huán)境下使用材料的影響有限。力學(xué)性能的測試結(jié)果說明末級再熱器彎管各項常溫拉伸力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由金相組織的觀察結(jié)果可知末級再熱器內(nèi)節(jié)第二圈鋼管兩側(cè)彎管處顯微組織均為晶粒尺寸粗大的奧氏體相，部分奧氏體晶粒內(nèi)還存在滑移線及條狀退火孿晶組織，未見明顯老化特征及異常晶粒長大；此外，金相顯微組織及掃描電鏡微觀斷口觀察發(fā)現(xiàn)裂口具有明顯的沿晶斷裂特征及晶粒脫落形貌，且晶界有氧化特征，具有較為明顯的晶間腐蝕開裂特征。

此外，經(jīng)計算及查閱設(shè)計圖紙，該末級過熱器內(nèi)節(jié)第二圈鋼管的冷加工應(yīng)變量約為18 %，根據(jù)ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范第1卷—動力鍋爐建造規(guī)范》-2010中PG-19《奧氏體材料的冷加工成型》標(biāo)準(zhǔn)對TP347H不銹鋼冷加工的規(guī)定，需進行有效的固溶處理，而從開裂形貌及組織狀態(tài)來看，開裂末級過熱器鋼管彎制加工后未進行有效的固溶處理，因此材料的抗晶間腐蝕能力較弱〔6-7〕。從運行工況分析，末級再熱器的運行溫度處于TP347H不銹鋼的晶間腐蝕敏化溫度區(qū)間，在長期的使用過程中會進一步減弱材料的抗晶間腐蝕能力〔8-10〕；同時，該U型彎管部位既要承受內(nèi)部介質(zhì)壓力的作用，又要承受熱膨脹應(yīng)力的作用，同時還要承受大量形變產(chǎn)生的應(yīng)力作用，因此，彎管部位應(yīng)力狀態(tài)也極為復(fù)雜且應(yīng)力集中水平較高。綜合以上實驗結(jié)果可以確定，此次末級再熱器彎管的開裂泄漏失效為彎頭處應(yīng)力集中引發(fā)的應(yīng)力型晶間腐蝕所致。

5 結(jié)論及建議

(1)開裂的末級再熱器彎管未進行有效的固溶處理，抗晶間腐蝕能力較弱；

(2)鍋爐運行溫度剛好處于奧氏體不銹鋼的敏化溫度區(qū)間，長期運行使得材料的抗腐蝕能力下降；

(3)運行過程中彎管處存在較大的應(yīng)力集中，最終在晶間腐蝕嚴重部位造成鋼管發(fā)生應(yīng)力型晶間腐蝕開裂；

(4)建議，首先排查同類型鋼管有無開裂現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題及時處理；其次，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求對TP347H不銹鋼彎管進行固溶處理，以避免再次發(fā)生類似開裂泄漏失效。