分享：锅炉末级再热器TP３１０HCbN 奥氏体耐热钢弯头 泄漏原因分析
梁宝琦,龚 巍
[高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室(哈尔滨锅炉厂有限责任公司),哈尔滨１５００４６]
摘 要:通过宏观检验、化学成分分析、力学性能测试、金相检验、断口扫描电镜分析等方法,对某锅炉末级再热器用TP３１０HCbN 奥氏体耐热钢弯头泄漏原因进行了分析.结果表明:该弯头泄漏是因为其曾受到磕碰,破坏了钢管外表面的钝化膜;在腐蚀介质、管内压应力、弯管残余应力以及凹坑处附加内应力的共同作用下,弯头发生了应力腐蚀开裂.
关键词:TP３１０HCbN 奥氏体耐热钢;弯头;泄漏;磕碰;应力腐蚀开裂
中图分类号:TG１４２．７;TM６２１．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６０７Ｇ０４
HR３C是日本住友公司在TP３１０钢的基础上,通过复合添加铌、氮合金元素研制出的一种新型奥氏体耐热钢.HR３C是日本住友的企业牌号,其在ASME标准中的对应牌号为SAＧ２１３TP３１０HCbN,该材料具有优异的高温综合性能、良好的抗蒸汽氧化性能以及抗高温腐蚀性能,已广泛用于国内外超超临界机组锅炉的高温过热器、再热器管等[１Ｇ３].某超超临界电站锅炉末级再热器运行过程中发生泄漏,泄漏位置为末级再热器进口左数第１０屏炉前第３根弯头底部,泄漏发生在弯头内弧处.泄漏弯头材料为TP３１０HCbN 耐热钢,规格为?６０mm×４mm,截止泄漏时,共运行约４０００h.为查明泄漏原因,笔者对该奥氏体耐热钢弯头进行了检验和分析,以避免类似失效事故的再发生.
１ 理化检验
１．１ 宏观检验
对泄漏样管进行宏观观察,如图１所示,可见弯头内弧侧存在纵向裂纹,主裂纹扩展过程中有分支裂纹存在,主裂纹长度约为１３０mm,主裂纹及其两侧有明显的凹坑,主裂纹已贯穿钢管壁厚.对样管右半部分的凹坑内部进行进一步观察,如图２所示,可见每个凹坑内部均分布着一条微裂纹,微裂纹方向与凹坑长轴方向一致.对图２所示的样管内壁进行观察,如图３所示,可见与外壁凹坑对应位置存在内壁凸起.
图１ 泄漏样管宏观形貌
Fig。１ Macroscopicmorphologyoftheleakagetube
头内弧侧存在纵向裂纹,主裂纹扩展过程中有分支裂纹存在,主裂纹长度约为１３０mm,主裂纹及其两侧有明显的凹坑,主裂纹已贯穿钢管壁厚.对样管右半部分的凹坑内部进行进一步观察,如图２所示,可见每个凹坑内部均分布着一条微裂纹,微裂纹方向与凹坑长轴方向一致.对图２所示的样管内壁进行观察,如图３所示,可见与外壁凹坑对应位置存在内壁凸起.
１．２ 化学成分分析
采用QSNＧ７５０型直读光谱仪对TP３１０HCbN钢泄漏样管进行化学成分分析,结果如表１所示.可见样管的化学成分符合ASME SAＧ２１３/SAＧ２１３M－２０１７对于TP３１０HCbN 耐热钢管成分的技术要求.
１．４ 金相检验
在图４所示的虚线位置取金相试样,对其横截面形貌进行观察.根据裂纹在横截面上的位置,将图５中两条裂纹分别称为非凹坑裂纹和凹坑裂纹.
试样经磨制、抛光后,采用FeCl３ 盐酸溶液进行化学侵蚀,然后利用ZeissAxiovert２００MAT 型金相显微镜观察试样的显微组织,结果见图６~１０.同时对远离弯头的直管段取金相试样,观察其显微组织,结果见图１１.
由图６~８可见,凹坑裂纹为沿晶裂纹,由外壁向内壁扩展,裂纹扩展过程中有分叉,裂纹内部有灰色的腐蚀产物,裂纹深度约为２．０mm,裂纹附近的近外壁组织存在较多的滑移线,裂纹尖端附近无滑移线.
由图９~１０可见,非凹坑裂纹同样为沿晶裂纹,由外壁向内壁扩展,裂纹扩展过程中有分叉,裂纹内部有灰色腐蚀产物,裂纹深度约为１．４mm,裂纹附近无滑移线.
由图１１可见,远离弯头的直管段显微组织为奥氏体,晶粒度为５级,组织中无滑移线,亦未见明显的析出物.
１．５ 断口分析
将金相试样沿凹坑裂纹人工打开,采用Apollo３００型扫描电子显微镜(SEM)对凹坑裂纹断口微观形貌进行观察,并采用Quantax能谱仪(EDS)对凹坑裂纹断口进行能谱分析,结果见图１２.可见凹坑裂纹断口呈典型的沿晶断裂形貌;裂纹内氧化腐蚀产物除含有铁、铬、镍元素外,还含有氯、硫等腐蚀性元素.
２ 综合分析
由上述理化检验结果可知:泄漏TP３１０HCbN样管的化学成分、力学性能和晶粒度均符合ASMESAＧ２１３/SAＧ２１３M－２０１７技术要求;显微组织为奥氏体,且无明显析出物,为正常组织.非凹坑裂纹在近外壁组织中没有滑移线存在,而凹坑裂纹在近外壁组织中存在较多的滑移线,说明钢管凹坑处曾受到了磕碰或撞击,造成钢管壁厚方向发生了再结晶温度以下的塑性变形,并产生较大的附加内应力.凹坑在与外壁相对应位置的内壁存在凸起,说明撞击力较大;每个凹坑处均发现有微裂纹存在,且裂纹由外壁向内壁扩展,由此判断弯头裂纹起源于外壁凹坑处[４].
凹坑裂纹与非凹坑裂纹均为沿晶裂纹,裂纹扩展过程中有分叉,且裂纹内部均存在灰色的腐蚀产物;能谱分析结果表明,腐蚀产物中含有氯、硫等腐蚀性元素.分析认为,该TP３１０HCbN 钢弯头开裂属于应力腐蚀开裂.
综合金相、SEM 以及EDS分析结果,弯头曾受到较大外力的磕碰或者撞击,在钢管外壁形成了凹坑并造成了机械损伤,机械损伤破坏了钢管表面的钝化膜,并在凹坑处产生了附加内应力.当烟气中有腐蚀性介质存在时,钢管在管内压应力、弯管残余应力以及凹坑处附加内应力的共同作用下发生了沿晶应力腐蚀开裂;由于内压产生的环向拉应力较大,故钢管优先发生了纵向开裂.
３ 结论及建议
该锅炉末级再热器TP３１０HCbN 奥氏体耐热钢弯头曾受到磕碰或撞击,破坏了钢管外表面的钝化膜,在腐蚀介质、管内压应力、弯管残余应力及凹坑处附加内应力的共同作用下,弯头发生了应力腐蚀开裂.
建议加强对制造、运行和安装过程中的磕碰损伤检查,发现有碰伤现象应及时进行换管处理[１].
文章来源：材料与测试网
