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(zhì)、管內(nèi)壓應力、彎管殘余應力以及凹坑處附加內(nèi)應力的共同作用下,彎頭發(fā)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(yè)牌號,其在ASME標準中的對應牌號為SAＧ２１３TP３１０HCbN,該材料具有優(yōu)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(nèi)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(fā)生泄漏,泄漏位置為末級再熱器進口左數(shù)第１０屏爐前第３根彎頭底部,泄漏發(fā)生在彎頭內(nèi)弧處.泄漏彎頭材料為TP３１０HCbN 耐熱鋼,規(guī)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(fā)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(nèi)弧側(cè)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(cè)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(nèi)部進行進一步觀察,如圖２所示,可見每個凹坑內(nèi)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(nèi)壁進行觀察,如圖３所示,可見與外壁凹坑對應位置存在內(nèi)壁凸起.

圖１　泄漏樣管宏觀形貌

Fig。１　Macroscopicmorphologyoftheleakagetube

頭內(nèi)弧側(cè)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(cè)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(nèi)部進行進一步觀察,如圖２所示,可見每個凹坑內(nèi)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(nèi)壁進行觀察,如圖３所示,可見與外壁凹坑對應位置存在內(nèi)壁凸起.

將樣管沿著圖１所示的方框虛線鋸切,對左段的主裂紋斷口及外壁形貌進行觀察,如圖４所示,可見兩個凹坑內(nèi)部均有微裂紋且與主裂紋相交,裂紋均從外壁向內(nèi)壁擴展,但并未貫穿鋼管壁厚.圖４所示虛線左側(cè)的凹坑在外壁上面積較大,在內(nèi)壁上無明顯凸起,凹坑內(nèi)部的裂紋在外壁上分布較長,裂紋已擴展到凹坑以外的區(qū)域;由斷口形貌可以看出,虛線右側(cè)的凹坑處明顯從外壁向內(nèi)壁凹陷.

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(jù)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(jīng)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(nèi)壁擴展,裂紋擴展過程中有分叉,裂紋內(nèi)部有灰色的腐蝕產(chǎn)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(nèi)壁擴展,裂紋擴展過程中有分叉,裂紋內(nèi)部有灰色腐蝕產(chǎn)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(nèi)氧化腐蝕產(chǎn)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(fā)生了再結晶溫度以下的塑性變形,并產(chǎn)生較大的附加內(nèi)應力.凹坑在與外壁相對應位置的內(nèi)壁存在凸起,說明撞擊力較大;每個凹坑處均發(fā)現(xiàn)有微裂紋存在,且裂紋由外壁向內(nèi)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(nèi)部均存在灰色的腐蝕產(chǎn)物;能譜分析結果表明,腐蝕產(chǎn)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(chǎn)生了附加內(nèi)應力.當煙氣中有腐蝕性介質(zhì)存在時,鋼管在管內(nèi)壓應力、彎管殘余應力以及凹坑處附加內(nèi)應力的共同作用下發(fā)生了沿晶應力腐蝕開裂;由于內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向拉應力較大,故鋼管優(yōu)先發(fā)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(zhì)、管內(nèi)壓應力、彎管殘余應力及凹坑處附加內(nèi)應力的共同作用下,彎頭發(fā)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(fā)現(xiàn)有碰傷現(xiàn)象應及時進行換管處理[１].

（文章來源：材料與測試網(wǎng)）