呼和浩特热电厂3号炉高再TP347H弯管失效分析

摘要:对呼和浩特热电厂3号锅炉高温再热器进行了取样试验。主要工作内容包括钢管材料质量检验、弯管弯制质量检验及开裂样品的断口分析。试验结果及综合分析表明：晶粒较细的1、4、5、7号管样的各项材质检验结果均符合相关标准要求；晶粒较粗的2、6、8号管样除晶间腐蚀试验不合格外，其他组织性能试验结果均正常；晶粒较粗管样的硬度和强度明显低于晶粒较细的管样；各弯管样品的弯制质量均满足标准要求，但存在横截面不圆现象；开裂样品的失效模式属于沿晶的应力腐蚀开裂。

关键词： 高温再热器弯管应力腐蚀

中图分类号：TM62文献标识码：A

1 概况

呼和浩特热电厂3号锅炉是大型国有企业自主设计开发、制造的超临界350MW锅炉。锅炉蒸发量为1140/h、过热器出口蒸汽压力为25.4MPa、过热器出口蒸汽温度为571℃、再热器出口蒸汽压力3.931 MPa、再热器出口蒸汽温度569℃的超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次再热、前后墙对冲燃烧、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全悬吊Π型锅炉。

2011年1月22日呼和浩特热电厂3号机组168试运刚结束，锅炉高温再热器第22屏第4圈弯管发生开裂泄漏迫使机组停运检修，打破了168后连续运行的计划，给我厂和施工单位以及锅炉生产厂造成了极大的影响。为了找到高温再热器弯头开裂的原因及全面掌握高温再热器管子的材料质量状态，我厂对3号锅炉高温再热器进行全面取样试验分析。

3号锅炉再热器分为低温再热器和高温再热器，其中高温再热器布置于水平烟道内，采用逆顺混合换热布置，高温再热器沿炉宽排列65片，横向节距为230mm，每片管组采用8根管。高温再热器出口段材质为TP347H，规格为Φ51×4.5mm。3号锅炉高温再热器弯管发生开裂时累计运行656小时启停19次,运行过程中没有发生超温干烧的现象。据了解锅炉厂在再热器管排制作过程中没有依据相关标准未对高温再热器出口段TP347H弯管进行弯制后的热处理。

2 检测项目

本次3号炉高温再热器出口段TP347H管材共取9个试验管样（包括泄露管），编号分别为1—9号，其中2、3号管样为同一根开裂管。具体对取样管的检查和分析从钢管材料质量、弯管制作质量、开裂管样断口分析、综合分析四个方向进行研究，具体项目如下：

2.1、钢管材料质量检验包括管样宏观形貌观察；几何尺寸测量：外径和壁厚；能谱成分分析；金相分析：包括晶粒度、显微组织和内外壁状态的显微检查；硬度试验；常温拉伸性能试验；晶间腐蚀试验。

2.2、弯管制作质量检验包括管样宏观形貌观察；几何尺寸测量：圆度、壁厚和弯曲半径；金相分析：显微组织、内外壁状态的显微检查；硬度试验。

2.3、开裂管样断口分析包括断口宏观形貌观察；断口金相分析；断口维氏硬度测试；断口扫描电镜分析；断口X射线能谱分析。

综合分析

3 钢管材料质量和弯管弯制质量检验结果

3.1宏观观察

管样的宏观形貌各管样均未见明显胀粗；1、4号管样存在吹损减薄现象，吹损减薄处存在泄漏口，吹损减薄及泄漏口位于管样直段部位；2、3号管样裂纹沿管样轴向走向，基本呈直线分布，裂纹处管样外壁存在吹损减薄痕迹； 5、6~9号管样表面质量均正常。

3.2几何尺寸测量

对1、2、3、4号取样管直段外径、弯管椭圆度、壁厚按照ASME SA 450、JB/T 1611规程要求对管样外径进行测量，测量结果符合以上规程的技术要求。

3.3 主要合金成分分析

用Fei Quanta 400HV型扫描电子显微镜和EDAX能谱仪对1、2、4、5、6、7、8号管样的金属基体进行成分分析，分析结果为所以检测管样的化学成分均在ASME SA213 TP347H技术要求范围内。

3.4 金相分析

对1、2、4、5、6、7、8号管样取样进行金相分析，在光学金相显微镜下观察到：

1）1号管样直段部分组织为奥氏体+孪晶+碳化物，晶粒度为5~6级，内壁氧化层不明显；对1号管样弯曲部位外弧侧、内弧侧及其中性面进行了组织观察，弯曲部位组织为奥氏体+孪晶+碳化物，组织中存在滑移线，由于直段中未见滑移线形貌，可以判断滑移线是在弯管过程中产生的，且弯管后未进行固溶处理；

2） 2号管样（直段）组织为奥氏体+孪晶+碳化物，晶粒度为3~4级；

3）4号管样弯管段组织为奥氏体+孪晶+碳化物，组织中存在大量的滑移线，晶粒度为7~9级；

4）5号和7号管样直段部分组织为奥氏体+孪晶+碳化物，晶粒度为6~7级，内壁和外壁均无明显氧化层；

5） 6号和8号管样直段部分组织均为奥氏体+孪晶+碳化物，晶粒较粗，6号管样的晶粒度为3~4级，8号管样的晶粒度为4~5级；内壁和外壁均无明显氧化层；

6）1、4、5、7号管样晶粒明显细于2、6、8号管样，表明两者不是同一批次钢管。

3.5 硬度试验

在管样的金相环样（5个）与镶样（4个）上进行维氏硬度试验，试验载荷10kg、加载时间15s，由维氏硬度试验结果可知：

(1) 管样直段部位硬度值均满足ASME SA213对TP347H新钢管硬度值的规定（HV≤200HV）；弯曲部位硬度值明显高于直段部位，这与弯管过程中的形变硬化有关，并表明弯后未进行固溶处理；

(2) 晶粒较粗的2、6、8号管样的硬度明显低于晶粒较细的1、4、5、7号管样。

3.6 拉伸性能试验

从1、6、8号管样直管段炉左右侧分别取样进行室温拉伸试验，试验机为MTS880电液伺服试验机。拉伸试验结果可以看出1、6、8号管样直段部位的室温拉伸性能符合ASME标准对TP347H新钢管的性能要求，但晶粒较粗的6、8号管样的拉伸强度明显低于晶粒较细的1号管样。

3.7 晶间腐蚀试验

晶间腐蚀试验按照GB/T 4334 2008中的方法E（不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验）对1、6、8号管样直段炉左右侧部位取纵向样各一个，进行晶间腐蚀试验，试验后，将其中一个试样正向弯曲180o，另一个试样反向弯曲180o，试验结果显示1号管样晶间腐蚀样品的两个弯曲面均发现轻微晶间腐蚀裂纹；而6号和8号晶间腐蚀样品的两个弯曲面均发现严重的晶间腐蚀裂纹。且6号和8号晶间腐蚀样品反转弯曲180o的侧面存在纵向裂纹，试验结果表明，6号和8号管样直管段有严重的晶间腐蚀倾向。

1号正反向弯曲180o的弯曲外表面宏观形貌 6、8号正反向弯曲180o的弯曲外表面宏观形貌

4 开裂弯管圆环样品断口分析试验结果

4.1 断口宏观形貌观察

2、3号开裂管样含有长约230mm和185mm的裂纹，裂纹沿壁厚方向已经裂透，裂纹沿管样轴向走向，裂纹处管样外壁存在吹损痕迹。将裂纹掰开后，两侧断口表面均较为平整，无明显塑性变形。

4.2 断口金相分析

从断口处取样于Olympus GX71光学金相显微镜下进行观察分析，观察结果表明：开裂管样基体组织为奥氏体+孪晶+碳化物，组织中存在大量的滑移线，组织晶粒度3～4级；断口附近的组织中存在沿晶裂纹，部分裂纹从断口向基体中扩展，断口附近有存在于基体内部的沿晶裂纹；断口样内壁存在约10μm厚氧化层。

4.3 断口维氏硬度测试

从断口取样进行维氏硬度测试，试验载荷为200g、加载时间为15s，从实验结果可以看出距断口8mm处的维氏硬度值在217.8~245.7HV之间，紧邻断口处的维氏硬度值在272.6~303.7HV之间，紧邻断口处的硬度值高于其他部位的硬度值。

4.4 断口扫描电镜分析

用Fei Quanta 400HV型扫描电子显微镜对断口进行观察分析，可见断口表面有附着物，呈现沿晶脆断特征。

4.5 断口X射线能谱分析

用Fei Quanta 400HV型扫描电子显微镜和EDAX能谱仪对断口进行能谱分析，由能谱分析结果可知，断口的主要成分为氧化物。

5 综合分析评价

5.1 钢管制造质量分析

1) 组织观察可知，1号、4号、5号和7号管样的晶粒明显细于2号、6号和8号管样，表明这些管样至少为两个批次的钢管；

2) 晶粒较细管样的各项材质检验结果均符合相关标准要求；

3) 除晶间腐蚀试验不合格外，晶粒较粗管样的其他组织性能等试验结果均正常；

4) 晶粒较粗管样的硬度和强度明显低于晶粒较细的管样；

综上所述，晶粒较细管样的钢管材料质量正常；晶粒较粗管样除晶间腐蚀试验不合格外，其他组织性能试验结果均正常，但根据相关标准规定，只有当买方有规定时，才需进行并通过晶间腐蚀试验。

5.2 弯管制造质量分析

1) 弯管弯曲部分壁厚、椭圆度符合标准要求；

2) 弯管弯曲部分存在横截面不圆现象；

3) 管样弯曲部分硬度值明显高于管样直段部位，这与弯管过程中的形变硬化有关；

4) 管样弯曲部分组织中存在大量滑移线，而管样直段组织中没有，这说明滑移线是在弯管过程中产生的。根据滑移线及高硬度值可以判断弯管弯制后未进行固溶处理。

ASME 锅炉及压力容器规范 第Ⅰ卷 动力锅炉建造规则中PG-19对于TP347H钢弯制后应变计算如下：

应变％＝100r/R其中：r－钢管的半径；R－弯曲半径；

当应变超过15％时，且设计金属温度为540～675℃时，需要进行固溶处理。

1号管样的测量弯曲半径约为170mm，其应变为15％正好处在规程要求的临界值，按照标准要求，也可以不进行固溶处理。

综上所述，各弯管样品的弯制质量满足标准要求，但弯管弯曲部分存在明显的横截面不圆情况，弯管质量不理想。

5.3 弯管开裂原因分析

1) 断口平整，无明显塑性变形，呈脆断特征；

2) 断口处裂纹呈沿晶分布，部分裂纹从断口向基体中扩展，断口附近有存在于基体内部的沿晶裂纹；

3) 紧邻断口处的硬度值明显高于其他部位；

4) 扫描电镜分析表明断口呈沿晶脆性断裂特征；

根据上述试验结果判断，3号炉高温再热器弯管开裂属于沿晶的应力腐蚀开裂。奥氏体不锈钢锅炉管的这种失效与管子所受的应力水平和状态以及晶界的抗腐蚀能力有关。

从试验结果看，弯管弯曲部分横截面存在明显不圆情况且弯管弯制后未进行固溶处理，这就使得管子在弯制后局部由于较大的形变而存在较高的残余应力，加之运行时管圈热胀应力在弯管部位的作用，这两方面构成了应力腐蚀的应力因素。紧邻断口处的硬度值明显高于其他部位是裂纹扩展过程中尖端形变硬化造成的。

开裂的2、3号管样以及与2、3号管样有相似晶粒度的6、8号管样，硬度和强度值均低于其他晶粒较细的管样，且晶间腐蚀试验不合格，故推测2号、3号、6号和8号管样的固溶处理不理想。TP347H钢中添加了稳定化元素Nb，其固溶处理工艺需严格控制，当固溶温度偏高或固溶时间偏长时，在Cr的碳化物溶解的同时，大部分起稳定化作用的NbC也被溶解，奥氏体中就饱和了大量的碳。当奥氏体不锈钢锅炉管运行时，Nb的扩散较Cr的扩散困难，因此形成Cr的碳化物较为容易，所以在运行温度下形成的碳化物以Cr的碳化物为主，稳定化元素的作用就消弱了，起不到稳定碳的作用。从而造成晶界附近Cr元素的消耗，形成贫Cr区，使晶界弱化，当管子承受较大的应力时，即使没有强烈的腐蚀介质作用，也可以发生沿晶的应力氧化腐蚀开裂，造成锅炉管的失效。

6 结 论

1) 从晶粒度大小可判断3号锅炉高温再热器至少使用了两个批次的TP347H管子。晶粒较细管样的各项材质检验结果均符合相关标准要求，晶粒较粗管样除晶间腐蚀试验不合格外，其他组织性能等试验结果均正常；

2) 所取弯管样品的弯制质量满足标准要求，但弯管弯曲部分存在明显的横截面不圆情况，弯管质量不理想；

3) 3号炉高温再热器弯管开裂属于沿晶的应力腐蚀开裂。