摘 要:某电厂后屏再热器TP347H 奥氏体不锈钢受热面管发生开裂,采用宏观观察、扫描电镜 和能谱分析、室温拉伸试验等方法分析其开裂原因。结果表明:TP347H 奥氏体不锈钢受热面管发 生脆性开裂,其显微组织老化级别为4.5级;受热面管长期过热运行后,晶界析出粗大的碳化物,组 织发生劣化,材料的脆性增加,导致管子开裂。
在火电机组的运行过程中,“锅炉四管”爆管产生 的非停事故所占比例越来越大,这严重制约与威胁着 机组的安全稳定运行。高温部件的可靠性很大程度 取决于所使用材料的高温性能,如高温蠕变强度、高 温抗氧化性能以及高温抗腐蚀性能等,良好的高温性 能可以抑制材料组织劣化[1]。TP347H 奥氏体耐热 钢是在18-9Ni钢中加入适量的Nb元素,以提高钢的 高温性能[2-6]。TP347H钢具有较好的抗高温氧化性 能和高温力学性能,在电站机组的构件中得到广泛应 用[7]。根据DL/T715—2015《火力发电厂金属材料 选用导则》,推荐将 TP347H 钢用于烟气侧壁温不高 于670℃的过热器和再热器管中。
在某电厂的水压试验过程中,后屏再热器管开裂 泄漏,其材料为TP347H钢,规格为63mm×4mm(外 径×壁厚)。泄漏管无变形、无明显膨胀,未发现管内 有异物堵塞。笔者采用一系列理化检验方法分析了该 管发生开裂的原因,以防止该类事故再次发生。
泄漏的后屏再热器管宏观形貌如图1所示。从 外壁观察,裂纹位于距离焊缝中心11mm 的管子 上,裂纹沿环向扩展,呈直线mm,两 侧平整光滑。对该管沿着裂纹中心线进行纵剖,从 内壁观察,焊口两侧管段的内壁均存在大量方向平 行的加工刀痕,裂纹位于车削区域,外壁裂纹终止部 位所对应的内壁处仍然存在宏观可见的裂纹,内壁 裂纹的长度远大于外壁裂纹的长度,这说明裂纹是 由内向外扩展的。内壁存在较多的腐蚀坑,且主要 集中于车削区域,腐蚀坑内部聚集有的腐蚀物 质,裂纹处存在明显腐蚀现象。
管子泄漏位置结构如图2所示。对管子的壁厚 进行测量,发现正常部位的平均壁厚为3.96mm; 加工刀痕明显区平均壁厚为2.84mm;裂纹处的平 均壁厚为2.80mm,大于其最小理论壁厚,满足设计 要求。裂纹对侧车削区域裂口深度约为2.90mm, 车削区域较深,且壁厚较薄。
裂纹附近的显微组织形貌如图3所示,由图3可 知:材料组织为典型的奥氏体,奥氏体晶粒中存在大量 碳化物,且在晶界聚集,有的区域碳化物呈链状分布。
距离裂纹200mm处的显微组织形貌如图4所 示。由图4可知,内壁氧化皮厚度约为108μm,晶 界处聚集较多的析出相。材料组织为典型的过热组 织,说明管子在开裂前有一段过热过程;析出相向晶 界聚集,有些已成链状。依据 DL/T1422—2015 《18Cr-8Ni系列奥氏体不锈钢锅炉管显微组织老化 评级标准》对其进行评级,管子组织老化级别为 4.5级。
图5为断口处的SEM 形貌及能谱分析结果, 可以发现断口表面大部分区域附着有氧化垢层,从 局部位置观察,断口呈冰糖状,为沿晶开裂形貌,是 典型的脆性开裂模式。用扫描电镜及能谱仪对断口 处元素成分进行定量及半定量分析。裂纹附近位置 腐蚀产物中富含Cr、O、Fe等元素。
在开裂管子上取样后,对试样进行室温拉伸试 验,结果如表1所示,由表1可知:材料的力学性能均符合 ASTM A213/A213M—2017 《锅炉过热器 和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管》的要求。
从过热器的运行环境方面考虑,其内壁受到具 有氧化性的高温、高压饱和蒸汽的冲刷,外壁与煤 火、烟气等腐蚀性介质直接接触,工作环境极为恶 劣。研究表明,在该工况下长期运行,TP347H 钢的 脆性会增大,发生晶间腐蚀的概率也会大幅提升[8]
从宏观观察结果可知:裂纹起源于切削加工的 母材位置,开裂方向为由内向外,焊口两侧管段内壁 均可见大量的加工刀痕,裂纹方向与加工刀痕方向 平行。开裂处壁厚最薄为2.80mm,符合工件设计 要求,但可能会降低管段自身的承压能力。拉伸试 验结果表明,开裂管试样的屈服强度、抗拉强度均满 足技术要求。
从微观组织方面分析可知,缺陷处的奥氏体组 织老化级别为4.5级,晶界处聚集有明显的碳化物 颗粒,为典型的过热组织。研究表明,TP347H 钢在 运行过程中主要的析出相为 MX相和 M23C6 相,这 些析出相的尺寸、形状及分布均影响 TP347H 耐热 钢的高温强度[9]。在其长期过热运行过程中,晶界 附近的C元素仍有较高的迁移能量,与晶界附近的 Cr元素结合形成 M23C6 相,并在晶界附近析出;由 于碳原子的迁移速率较Cr原子迁移速率快,因此远 离晶界的碳原子不断向晶界附近迁移,并与Cr原子 结合形成Cr23C6,并在晶界附近析出,从而造成晶界 附近贫铬[10-12]。晶界处析出物的增多和粗化,使得 材料脆性增大,同时贫铬区的耐腐蚀能力也会进一 步下降[13-15]。在残余应力、热应力和蒸汽内压应力 等诸多因素的共同作用下,晶界贫铬区容易发生 开裂。
[1] 徐连勇,赵雷,荆洪阳.高参数火电机蒸汽管道高温完 整性研究进展[J].华东交通大学学报,2017,34(6): 1-25.
[2] 迟成宇,于鸿垚,谢锡善.600℃超超临界电站锅炉过 热器及再热器管道用先进奥氏体耐热钢的研究与发 展[J].世界钢铁,2012,12(4):50-65.