TP347H奧氏體鋼屏式再熱器爆管失效分析

孫興新

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院，西安 710021)

某火力發(fā)電廠裝設(shè)2臺(tái)135 MW燃煤機(jī)組，采用循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐型號(hào)為UG-480/13.7-M，鍋爐型式為超高壓一次中間再熱、單汽包自然循環(huán)、島式布置、全鋼架支吊結(jié)合的鍋爐。該機(jī)組于2006年1月22日投產(chǎn)發(fā)電，截至2019年8月18日屏式再熱器爆管，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間96 000 h，爆管材質(zhì)為TP347H，管子直徑為60 mm、壁厚為5 mm。

TP347H(07Cr18Ni11Nb)鋼(簡稱TP347H鋼)是一種含Nb的Cr-Ni奧氏體耐熱鋼，是ASME SA-213/SA-213M—2010 《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》中的成熟鋼種。鑒于TP347H鋼優(yōu)良的綜合性能，目前已被廣泛應(yīng)用于超(超)臨界機(jī)組過熱器、再熱器和屏式過熱器的高溫段等高溫高壓部件[1]。

此次屏式再熱器爆管發(fā)生在標(biāo)高27 m處，屏式再熱器出口額定蒸汽溫度為540 ℃，額定蒸汽壓力為2.837 MPa，爆管處測(cè)點(diǎn)溫度為537 ℃，但由于測(cè)點(diǎn)裝于爐外，測(cè)點(diǎn)溫度主要依靠流通蒸汽經(jīng)管壁導(dǎo)熱傳感測(cè)量，依據(jù)GB/T 16507—2013 《水管鍋爐》，td=tm+100(td為計(jì)算壁溫，tm平均工質(zhì)溫度)換算到再熱器管壁當(dāng)量溫度應(yīng)該為637 ℃左右。

筆者通過對(duì)屏式再熱器失效管樣的爆口進(jìn)行宏觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相組織觀察、X射線衍射分析、掃描電鏡分析及能譜分析，研究分析了此次屏式再熱器爆管的原因。

1 爆管宏觀檢查及分析

管樣向火側(cè)發(fā)生爆破，爆口周向最大尺寸為70 mm(見圖1)，縱向最大尺寸為245 mm(見圖2)，爆口呈鈍邊特征，斷裂面粗糙不平整，爆口管壁內(nèi)部存在許多縱向裂紋，內(nèi)壁可見明顯氧化皮，爆口上下8 m范圍內(nèi)管子明顯脹粗(見圖3)，外徑最大測(cè)量值為71.29 mm，對(duì)應(yīng)最大蠕變應(yīng)變?yōu)?8.8%，超出DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求(奧氏體耐熱鋼管子蠕變應(yīng)變不大于4.5%)。

圖1 爆口周向尺寸示意圖

圖2 爆口縱向尺寸示意圖

圖3 鄰近爆口蠕脹情況

爆口附近的壁厚數(shù)據(jù)分布見圖4，爆口周邊最小壁厚3.60 mm，比額定壁厚減薄1.4 mm，根據(jù)爆口特征，初步判斷該管子符合長時(shí)過熱爆管特征。

圖4 爆口周圍壁厚值

2 化學(xué)成分及力學(xué)性能分析

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)爆管、對(duì)比管管樣 (同一管屏未脹粗管)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。管樣化學(xué)成分符合ASME SA-213/SA-213M—2010的要求。

表1 化學(xué)成分分析 %

2.2 室溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)爆管、對(duì)比管管樣分別在向火側(cè)和背火側(cè)制取拉伸試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷后伸長率3項(xiàng)室溫力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。從表2可以看出：爆管管樣向火側(cè)抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率均低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限值，其余試驗(yàn)值均滿足ASME SA-213/SA-213M—2010標(biāo)準(zhǔn)要求；爆管向火側(cè)試樣抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)低于背火側(cè)，對(duì)比管管樣向火側(cè)和背火側(cè)試樣抗拉強(qiáng)度接近，表明爆管向火側(cè)存在超溫現(xiàn)象，導(dǎo)致向火側(cè)管子的力學(xué)性能下降較多。

表2 室溫力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 顯微組織及析出相分析

3.1 顯微組織分析

對(duì)爆管、對(duì)比管管樣分別制取金相環(huán)，經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光、侵蝕后觀察顯微組織。

爆管管樣向火側(cè)金相組織見圖5。由圖5可以看出：爆管管樣向火側(cè)組織為奧氏體，晶粒度為7～8級(jí)，存在數(shù)量較多的大尺寸黑色蠕變孔洞，孔洞呈不規(guī)則四方體結(jié)構(gòu)，尺寸>20 μm。

圖5 爆管管樣向火側(cè)金相組織

爆管管樣背火側(cè)金相組織見圖6。由圖6可以看出：爆管管樣背火側(cè)組織為奧氏體，晶粒度為7～8級(jí)，同樣有黑色蠕變孔洞存在，然而孔洞數(shù)量及尺寸均小于向火側(cè)。

圖6 爆管管樣背火側(cè)金相組織

對(duì)比管管樣的向火側(cè)和背火側(cè)的金相組織分別見圖7、圖8。由圖7、圖8可以看出：對(duì)比管管樣的向火側(cè)和背火側(cè)組織均為奧氏體，晶粒度為8～9級(jí)，對(duì)比管管樣向火側(cè)和背火側(cè)金相組織中均未見黑色蠕變孔洞。爆管管樣組織中存在的蠕變孔洞能進(jìn)一步說明爆管存在一定程度的長時(shí)超溫過熱情況。

圖7 對(duì)比管管樣向火側(cè)金相組織

圖8 對(duì)比管管樣背火側(cè)金相組織

3.2 內(nèi)外壁氧化皮分析

在環(huán)狀金相試樣上，觀察爆管和對(duì)比管管樣內(nèi)外壁氧化皮厚度(見圖9、圖10)。爆管管樣內(nèi)壁氧化皮最大厚度為0.180 mm，外壁氧化皮最大厚度為0.016 mm，根據(jù)T/CEC 144—2017 《過熱器和再熱器化學(xué)清洗導(dǎo)則》規(guī)定，TP347H材料內(nèi)壁氧化皮厚度大于等于0.09 mm時(shí)，宜進(jìn)行化學(xué)酸洗。對(duì)比管管樣內(nèi)壁氧化皮最大厚度為0.023 mm，外壁氧化皮最大厚度為0.013 mm，對(duì)比管管樣內(nèi)外壁氧化皮厚度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(見圖11、圖12)。

圖9 爆管管樣內(nèi)壁氧化皮

圖10 爆管管樣外壁氧化皮

圖11 對(duì)比管管樣內(nèi)壁氧化皮

圖12 對(duì)比管外壁氧化皮

3.3 析出相分析

通過掃描電鏡對(duì)爆管管樣進(jìn)行金相組織觀察，發(fā)現(xiàn)奧氏體組織晶界上存在較多灰色析出相，部分存在于晶內(nèi)，析出相顆粒較大，形狀不規(guī)則(見圖13)。

圖13 爆管掃描電鏡圖

對(duì)爆管管樣基體、晶界、灰色析出相進(jìn)行能譜(EDS)分析?；wEDS分析結(jié)果見圖14，結(jié)果與TP347H化學(xué)成分符合。

圖14 爆管管樣基體EDS分析結(jié)果圖

晶界處析出物的EDS分析結(jié)果見圖15，其中Cr含量比基體稍低，推測(cè)可能是由于晶界處析出了M23C6化合物造成的貧Cr區(qū)。

圖15 爆管管樣晶界EDS分析結(jié)果

灰色析出相EDS分析結(jié)果見圖16。由圖16可以看出，灰色析出相為富Nb相，可能為基體未熔的Nb或富Nb的碳、氮化合物Nb(C，N)。

圖16 爆管灰色析出相EDS分析結(jié)果

通過對(duì)爆管管樣和對(duì)比管管樣進(jìn)行了X射線衍射(XRD)分析，見圖17。由圖17可以看出：爆管管樣中存在少量的M23C6化合物，M23C6為富Cr的碳化物，隨著奧氏體鋼服役時(shí)間的增長，優(yōu)先在晶界析出，造成晶界貧Cr，結(jié)合爆管管樣晶界處的EDS分析結(jié)果，晶界存在一定的貧Cr區(qū)，可以判定爆管管樣晶界處存在一定的M23C6析出相；同時(shí)，爆管管樣中存在少量α-Fe，可能是由于TP347H中發(fā)生了少量的馬氏體轉(zhuǎn)變，使得爆管管樣帶有弱磁性。

圖17 爆管及對(duì)比管XRD圖

TP347H是在TP304鋼的基礎(chǔ)上，添加了0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Nb，使其析出細(xì)小彌散分布的富Nb的MX相及M23C6碳化物相，達(dá)到彌散強(qiáng)化的效果，從而使TP347H具有較高的高溫強(qiáng)度[2]。TP347H中的富Nb相分為一次析出相Nb(C，N)和二次析出相NbC，一次析出相Nb(C，N)尺寸較大，可能達(dá)到1～3 μm，可能在合金熔液凝固過程中析出，在固溶處理過程中不能完全溶解；二次析出相NbC尺寸較小，尺寸為納米級(jí)[3-4]。二次析出相NbC尺寸較小，彌散分布在基體中，有彌散強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用，可以提高材料的強(qiáng)度，大尺寸的一次析出相Nb(C，N)作為夾雜物隨機(jī)分布在晶內(nèi)，對(duì)材料性能危害較大[5-6]。爆管管樣中存在的富Nb相，尺寸較大，最大尺寸達(dá)到3 μm，根據(jù)富Nb析出相可以判斷為一次析出相Nb(C，N)。尺寸較大、材料性能降低，可能為造成爆管的因素之一。XRD和EDS分析得出爆管管樣晶界處存在M23C6析出相，但由于數(shù)量較少且尺寸較小，晶界處未見大量存在，同時(shí)晶界未發(fā)生沿晶氧化和晶間腐蝕情況，因此可以得出爆管失效與M23C6析出相無關(guān)。

4 結(jié)語

綜合爆管管樣的爆口形貌特征、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相組織分析、析出相綜合分析，得出爆管與組織中M23C6化合物的析出無關(guān)，爆管的主要原因有以下兩點(diǎn)：

(1)爆管管樣金相組織中存在較多粗大的一次析出相Nb(C，N)，最大尺寸達(dá)3 μm，作為夾雜物隨機(jī)分布在晶內(nèi)，使材料性能進(jìn)一步劣化，造成管子因性能下降而發(fā)生爆管失效。

(2)管子在長時(shí)超溫運(yùn)行工況下，內(nèi)壁氧化皮超標(biāo)且存在多處縱向裂紋，向火側(cè)力學(xué)性能下降較多且低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限；金相組織中存在多處蠕變孔洞，使材料的力學(xué)性能下降，管子壁厚存在減薄，減薄部位受到的內(nèi)壓應(yīng)力增大，進(jìn)而發(fā)生爆管失效。