梁寶琦,龔　巍

[高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司),哈爾濱１５００４６]

摘　要:通過宏觀檢驗、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、斷口掃描電鏡分析等方法,對某鍋爐末級再熱器用TP３１０HCbN 奧氏體耐熱鋼彎頭泄漏原因進行了分析.結果表明:該彎頭泄漏是因為其曾受到磕碰,破壞了鋼管外表面的鈍化膜;在腐蝕介質、管內壓應力、彎管殘余應力以及凹坑處附加內應力的共同作用下,彎頭發生了應力腐蝕開裂.

關鍵詞:TP３１０HCbN 奧氏體耐熱鋼;彎頭;泄漏;磕碰;應力腐蝕開裂

中圖分類號:TG１４２．７;TM６２１．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６０７Ｇ０４

CauseAnalysisonLeakageofTP３１０HCbNAusteniticHeatＧResistantSteelElbowofFinalReheaterofaBoiler

LIANGBaoqi,GONG Wei

(StateKeyLaboratoryofEfficientandCleanCoalＧFiredUtilityBoilers,HarbinBoilerCompanyLimited,Harbin１５００４６,China)

    Abstract:TheleakagecausesoftheTP３１０HCbNausteniticheatＧresistantsteelelbowoffinalreheaterofaboilerwereanalyzedthroughmacroscopicinspection,chemicalcompositionanalysis,mechanicalpropertytest,metallographicexaminationandfracturescanningelectron microscopeanalysis．Theresultsshowthattheelbowleakedbecauseithadbeenbumpedandthepassivationfilmontheoutersurfaceofthesteeltubewasdamaged．

Underthecombinedactionofcorrosivemedia,tubeinternalcompressivestress,residualstressoftheelbowand

additionalinternalstressatthepit,stresscorrosioncrackingoccurredtotheelbow．

    Keywords:TP３１０HCbNausteniticheatresistantsteel;elbow;leakage;bump;stresscorrosioncracking

HR３C是日本住友公司在TP３１０鋼的基礎上,通過復合添加鈮、氮合金元素研制出的一種新型奧氏體耐熱鋼.HR３C是日本住友的企業牌號,其在ASME標準中的對應牌號為SAＧ２１３TP３１０HCbN,該材料具有優異的高溫綜合性能、良好的抗蒸汽氧化性能以及抗高溫腐蝕性能,已廣泛用于國內外超超臨界機組鍋爐的高溫過熱器、再熱器管等[１Ｇ３].某超超臨界電站鍋爐末級再熱器運行過程中發生泄漏,泄漏位置為末級再熱器進口左數第１０屏爐前第３根彎頭底部,泄漏發生在彎頭內弧處.泄漏彎頭材料為TP３１０HCbN 耐熱鋼,規格為?６０mm×４mm,截止泄漏時,共運行約４０００h.為查明泄漏原因,筆者對該奧氏體耐熱鋼彎頭進行了檢驗和分析,以避免類似失效事故的再發生.

１　理化檢驗

１．１　宏觀檢驗

    對泄漏樣管進行宏觀觀察,如圖１所示,可見彎頭內弧側存在縱向裂紋,主裂紋擴展過程中有分支裂紋存在,主裂紋長度約為１３０mm,主裂紋及其兩側有明顯的凹坑,主裂紋已貫穿鋼管壁厚.對樣管右半部分的凹坑內部進行進一步觀察,如圖２所示,可見每個凹坑內部均分布著一條微裂紋,微裂紋方向與凹坑長軸方向一致.對圖２所示的樣管內壁進行觀察,如圖３所示,可見與外壁凹坑對應位置存在內壁凸起.

圖１　泄漏樣管宏觀形貌

Fig。１　Macroscopicmorphologyoftheleakagetube

    頭內弧側存在縱向裂紋,主裂紋擴展過程中有分支裂紋存在,主裂紋長度約為１３０mm,主裂紋及其兩側有明顯的凹坑,主裂紋已貫穿鋼管壁厚.對樣管右半部分的凹坑內部進行進一步觀察,如圖２所示,可見每個凹坑內部均分布著一條微裂紋,微裂紋方向與凹坑長軸方向一致.對圖２所示的樣管內壁進行觀察,如圖３所示,可見與外壁凹坑對應位置存在內壁凸起.

１．２　化學成分分析

采用QSNＧ７５０型直讀光譜儀對TP３１０HCbN鋼泄漏樣管進行化學成分分析,結果如表１所示.可見樣管的化學成分符合ASME SAＧ２１３/SAＧ２１３M－２０１７對于TP３１０HCbN 耐熱鋼管成分的技術要求.

１．４　金相檢驗

在圖４所示的虛線位置取金相試樣,對其橫截面形貌進行觀察.根據裂紋在橫截面上的位置,將圖５中兩條裂紋分別稱為非凹坑裂紋和凹坑裂紋.

試樣經磨制、拋光后,采用FeCl３ 鹽酸溶液進行化學侵蝕,然后利用ZeissAxiovert２００MAT 型金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織,結果見圖６~１０.同時對遠離彎頭的直管段取金相試樣,觀察其顯微組織,結果見圖１１.

由圖６~８可見,凹坑裂紋為沿晶裂紋,由外壁向內壁擴展,裂紋擴展過程中有分叉,裂紋內部有灰色的腐蝕產物,裂紋深度約為２．０mm,裂紋附近的近外壁組織存在較多的滑移線,裂紋尖端附近無滑移線.

由圖９~１０可見,非凹坑裂紋同樣為沿晶裂紋,由外壁向內壁擴展,裂紋擴展過程中有分叉,裂紋內部有灰色腐蝕產物,裂紋深度約為１．４mm,裂紋附近無滑移線.

由圖１１可見,遠離彎頭的直管段顯微組織為奧氏體,晶粒度為５級,組織中無滑移線,亦未見明顯的析出物.

１．５　斷口分析

將金相試樣沿凹坑裂紋人工打開,采用Apollo３００型掃描電子顯微鏡(SEM)對凹坑裂紋斷口微觀形貌進行觀察,并采用Quantax能譜儀(EDS)對凹坑裂紋斷口進行能譜分析,結果見圖１２.可見凹坑裂紋斷口呈典型的沿晶斷裂形貌;裂紋內氧化腐蝕產物除含有鐵、鉻、鎳元素外,還含有氯、硫等腐蝕性元素.

２　綜合分析

由上述理化檢驗結果可知:泄漏TP３１０HCbN樣管的化學成分、力學性能和晶粒度均符合ASMESAＧ２１３/SAＧ２１３M－２０１７技術要求;顯微組織為奧氏體,且無明顯析出物,為正常組織.非凹坑裂紋在近外壁組織中沒有滑移線存在,而凹坑裂紋在近外壁組織中存在較多的滑移線,說明鋼管凹坑處曾受到了磕碰或撞擊,造成鋼管壁厚方向發生了再結晶溫度以下的塑性變形,并產生較大的附加內應力.凹坑在與外壁相對應位置的內壁存在凸起,說明撞擊力較大;每個凹坑處均發現有微裂紋存在,且裂紋由外壁向內壁擴展,由此判斷彎頭裂紋起源于外壁凹坑處[４].

凹坑裂紋與非凹坑裂紋均為沿晶裂紋,裂紋擴展過程中有分叉,且裂紋內部均存在灰色的腐蝕產物;能譜分析結果表明,腐蝕產物中含有氯、硫等腐蝕性元素.分析認為,該TP３１０HCbN 鋼彎頭開裂屬于應力腐蝕開裂.

綜合金相、SEM 以及EDS分析結果,彎頭曾受到較大外力的磕碰或者撞擊,在鋼管外壁形成了凹坑并造成了機械損傷,機械損傷破壞了鋼管表面的鈍化膜,并在凹坑處產生了附加內應力.當煙氣中有腐蝕性介質存在時,鋼管在管內壓應力、彎管殘余應力以及凹坑處附加內應力的共同作用下發生了沿晶應力腐蝕開裂;由于內壓產生的環向拉應力較大,故鋼管優先發生了縱向開裂.

３　結論及建議

該鍋爐末級再熱器TP３１０HCbN 奧氏體耐熱鋼彎頭曾受到磕碰或撞擊,破壞了鋼管外表面的鈍化膜,在腐蝕介質、管內壓應力、彎管殘余應力及凹坑處附加內應力的共同作用下,彎頭發生了應力腐蝕開裂.

建議加強對制造、運行和安裝過程中的磕碰損傷檢查,發現有碰傷現象應及時進行換管處理[１].

（文章來源：材料與測試網）