奧氏體不銹鋼油管開裂原因分析

徐衛(wèi)仙，喬立捷，鐘艷博

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030； 2.遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引 言

某電廠1號汽輪機(jī)是哈爾濱汽輪機(jī)廠引進(jìn)美國WH公司的制造技術(shù)設(shè)計(jì)制造的N315-16.7/537/537型亞臨界蒸汽參數(shù)、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)采用高、中壓汽缸合缸、內(nèi)缸對向布置；低壓缸采用雙分流布置。汽輪機(jī)的通流部分由高、中、低壓三部分組成，共36級，其中高中壓缸為雙層缸，低壓部分為三層雙分流式。高壓部分有1個(gè)調(diào)節(jié)級和12個(gè)反動(dòng)級，中壓部分有9個(gè)反動(dòng)級，低壓部分為雙分流式，每一分流有7個(gè)反動(dòng)級。該機(jī)組于1993年3月投產(chǎn)，機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約17萬小時(shí)。2020年5月26日，1號機(jī)2號高調(diào)門回油管路活接頭漏油，在停機(jī)水壓查漏檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)回油管路斷裂位置為靠近2號高調(diào)門油動(dòng)機(jī)集成塊回油管路接頭處，臨近焊口熱影響區(qū)。該管段上次大修時(shí)更換，至斷裂時(shí)運(yùn)行時(shí)間約42 888 h。裂紋長度約60 mm，該EH油管材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，規(guī)格為Φ32×3 mm。

通過對斷裂EH油管的宏觀形貌、材質(zhì)、硬度、顯微組織和掃描電鏡、EDS等分析，為其找到斷裂原因，并提出合理的建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌分析

圖1為1號機(jī)EH油管開裂管外表面的宏觀形貌，開裂處位于油管焊接接頭處，靠近焊口熱影響區(qū)。由宏觀形貌可知，斷口起源于熱影響區(qū)，沿環(huán)向位置擴(kuò)展，開裂總長約60 mm。開裂位置管壁無明顯減薄、無脹粗。斷面較平齊，無明顯塑性變形特征，且已裂透。

圖1 EH油管開裂處的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of cracks in EH tubing

1.2 材質(zhì)分析

對水冷壁開裂管進(jìn)行材質(zhì)檢測，結(jié)果見表1。分析結(jié)果符合GB 4237—1992《不銹鋼熱軋鋼板》中表2對1Cr18NiTi鋼的材質(zhì)要求。

1.3 硬度分析

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對1Cr18NiTi鋼開裂位置母材、熱影響區(qū)、焊縫分別進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表2。EH油管開裂位置母材維氏硬度符合GB 4237—1992中表12要求。

1.4 顯微組織分析

對EH油管開裂位置橫截面、縱截面截取試樣，使用氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下對開裂處進(jìn)行金相組織觀察，顯微組織見圖2。

表1 EH油管的化學(xué)元素分析結(jié)果Table 1 Chemical element analysis results of EH tubing 單位：%

表2 開裂位置硬度檢測結(jié)果Table 2 Hardness test results of cracking position

由圖2(a)可知，EH油管開裂位置內(nèi)壁的顯微組織為奧氏體，老化級別3級，油管無超溫過熱現(xiàn)象，裂紋為沿晶+穿晶混合裂紋，右側(cè)裂紋無分叉，懷疑與疲勞有關(guān)。由圖2(b)可知，組織中存在嚴(yán)重帶狀缺陷，最長達(dá)到900 μm，懷疑與原材料缺陷有關(guān)，后續(xù)采用能譜進(jìn)一步分析。

圖2 EH油管開裂位置的顯微組織Fig.2 The microstructure of the cracked position of EH tubing

1.5 掃描電鏡、EDS

采用掃描電鏡和能譜儀對開裂位置形貌和開裂位置縱截面缺陷進(jìn)行了分析，結(jié)果如表3及圖3～4所示。

表3 夾雜物能譜分析結(jié)果Table 3 Inclusion energy spectrum analysis results

由圖3可知，開裂位置為熱影響區(qū)，開裂形貌為脆性斷裂。由圖3(a)可知，該開裂為多源擴(kuò)展開裂。由圖3(b)可知，斷口上觀察到連續(xù)的、比較柔和的疲勞輝紋。由圖3(c)、3(d)可知，裂紋源可見孔洞和沿原奧氏體晶界的微裂紋，可見熱影響區(qū)存在焊接缺陷。

由圖4可知，開裂位置縱截面存在夾雜物。由表3可知，夾雜物主要元素為C、O、S、Ti。結(jié)合顯微組織分析，根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》，嚴(yán)重帶狀缺陷為A類非金屬夾雜物，評為3級，不符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)不大于2.5級別的要求。

圖3 EH油管開裂位置形貌Fig.3 EH tubing crack location morphology

圖4 EH油管開裂位置縱截面Fig.4 Longitudinal section of EH tubing crack position

2 分析與討論

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)EH油管開裂位置靠近熱影響區(qū)。宏觀檢查開裂位置，顯示裂紋起源于熱影響區(qū)。金相組織中存在沿晶+穿晶混合裂紋，裂紋無分叉，為疲勞裂紋特征；金相組織存在嚴(yán)重帶狀?yuàn)A雜物，降低材料的表面成型質(zhì)量，并降低韌性和抗疲勞性能，降低材質(zhì)質(zhì)量。奧氏體不銹鋼管制造工藝一般為穿孔冷軋成型，鋼管內(nèi)表面為原鑄坯的芯部區(qū)域，芯部夾雜物超標(biāo)會降低冷軋后鋼管內(nèi)表面質(zhì)量[1-3]。掃描電鏡和能譜分析中，該開裂為多源擴(kuò)展開裂，且裂紋源可見孔洞和沿原奧氏體晶界的微裂紋，斷口上有疲勞輝紋。開裂位置縱截面存在夾雜物，且超標(biāo)[4-6]。

如前所述，此次開裂原因?yàn)镋H油管熱影響區(qū)存在孔洞和微裂紋，且顯微組織存在嚴(yán)重帶狀?yuàn)A雜物超標(biāo)，在實(shí)際運(yùn)行工況下，振動(dòng)導(dǎo)致高周疲勞，首先在熱影響區(qū)開裂。

3 結(jié) 語

1)EH油管帶狀?yuàn)A雜物嚴(yán)重超標(biāo)，且?guī)罘墙饘賷A雜物破壞了基體組織的連續(xù)性并降低韌性和抗疲勞性能，降低材質(zhì)質(zhì)量。

2)EH油管在高周振動(dòng)運(yùn)行環(huán)境下，易在焊接缺陷的熱影響區(qū)優(yōu)先開裂，并逐漸擴(kuò)展。

3)建議加強(qiáng)原材料入廠質(zhì)量檢驗(yàn)工作，加強(qiáng)檢修期間焊縫位置的無損檢測。