華能?chē)?guó)際電力股份有限公司汕頭電廠 林志福 西安熱工研究院有限公司 林琳 高磊
2016年10 月, 某電廠600MW 超臨界鍋爐屏式過(guò)熱器管下彎頭外弧面發(fā)生泄漏,為了查明泄漏原因,對(duì)泄漏管樣進(jìn)行試驗(yàn)分析。自2005年11月投產(chǎn)至本次屏過(guò)泄漏停機(jī),該管子累計(jì)運(yùn)行約8.4萬(wàn)小時(shí)。
取樣管為2根,位置為屏過(guò)爐后側(cè)管排A側(cè)數(shù)第4屏,內(nèi)圈往外圈數(shù)第4根(編號(hào)為1號(hào))和第6根(泄漏管樣,編號(hào)為2號(hào)),材質(zhì)均為T(mén)P347H,規(guī)格為Φ45×10.8mm,管樣現(xiàn)場(chǎng)照片及割取管樣的照片如圖1(a、b、c)所示。
a)宏觀形貌檢查及幾何尺寸測(cè)量;
b)金相分析;
c)掃描電鏡和能譜成分分析;
d)硬度試驗(yàn);
e)室溫拉伸試驗(yàn)。
綜合分析:指出其泄漏的原因。
泄漏管樣(A4-6)的宏觀形貌如圖2所示,管樣彎頭外弧面?zhèn)却嬖跈M向裂紋,裂紋已貫穿,泄漏的介質(zhì)將鄰近管子吹損泄漏,鄰近管子泄漏的介質(zhì)又將管樣裂紋附近嚴(yán)重吹損;裂紋的斷口表面平整,未見(jiàn)明顯的塑性變形。將裂紋尖端沿管樣縱向剖開(kāi),裂紋沿外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。
使用游標(biāo)卡尺對(duì)2根管樣直管部位進(jìn)行壁厚和外徑測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明:管樣各部位壁厚未見(jiàn)明顯減薄,外徑未見(jiàn)明顯脹粗。
按照ASME規(guī)范第I卷“PG-19奧氏體材料的冷加工成型”,給出公稱管和管子的彎頭的應(yīng)變計(jì)算公式:
圖1 屏過(guò)泄漏現(xiàn)場(chǎng)照片、割取管樣宏觀照片及取樣位置示意圖
圖2 泄漏管樣宏觀形貌
式中:r為管子的公稱外半徑;R為管子的公稱彎曲半徑。
根據(jù)電廠提供資料,管子的公稱外半徑為5.4mm,公稱彎曲半徑為150mm,可以計(jì)算得彎管的應(yīng)變量為15%。依據(jù)ASME規(guī)范第I卷中的表PG-19規(guī)定,當(dāng)設(shè)計(jì)溫度在540~675℃,變形量小于或等于15%時(shí),冷加工后的彎管可不進(jìn)行固溶處理。
如圖1(c)所示,在管樣的1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3位置截取金相環(huán),在2號(hào)管樣的泄漏位置外弧面?zhèn)鹊牧鸭y尖端和對(duì)應(yīng)的內(nèi)弧面?zhèn)雀鹘厝∫恍K金相試樣(依次編號(hào)為2-4、2-5),經(jīng)砂紙粗、細(xì)磨和拋光后,用王水溶液對(duì)各試樣進(jìn)行擦蝕,在ZEISS LSM 700型激光共聚焦掃描顯微鏡下對(duì)各試樣的顯微組織和內(nèi)外壁形貌進(jìn)行觀察分析,依據(jù)GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定法》對(duì)TP347H鋼進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)。ASME SA-213對(duì)TP347H鋼 的晶粒度要求為不細(xì)于7級(jí),GB 5310-2008對(duì)與TP347H鋼相近牌號(hào)的08Cr18Ni11Nb鋼的晶粒度要求為4~7級(jí)。依據(jù)DL/T 1422-2015《18Cr-8Ni系列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)TP347H鋼的顯微組織進(jìn)行老化評(píng)級(jí),標(biāo)準(zhǔn)對(duì)奧氏體鋼老化分為5級(jí),1~5級(jí)依次為未老化(原始態(tài))、輕度老化、中度老化、重度老化、完全老化。金相分析結(jié)果見(jiàn)表2,結(jié)果表明:
1-1、1 -2、1-3試樣的顯微組織均為奧氏體+孿晶+第二相析出物,平均晶粒度均為4~5級(jí),老化均為1~2級(jí),即未老化~輕度老化,內(nèi)壁氧化皮厚度不均勻,且部分位置氧化皮外層已脫落,氧化皮內(nèi)外層較為完整處的厚度為0.05mm。
2-1、2 -2試樣的顯微組織為奧氏體+孿晶+第二相析出物,內(nèi)壁附近存在沿壁厚方向厚度約為0.05mm、平均晶粒度為8~9級(jí)的細(xì)晶區(qū),試樣近內(nèi)壁位置的平均晶粒度為4~5級(jí),壁厚中部位置的平均晶粒度為6~7級(jí),外壁附近的平均晶粒度為5~6級(jí);老化1~2級(jí),即未老化~輕度老化;內(nèi)壁氧化皮厚度不均勻,氧化皮外層已全部脫落,最厚處厚度為0.03mm。
2-3試樣的顯微組織為奧氏體+孿晶+第二相析出物,內(nèi)壁附近存在沿壁厚方向厚度約為0.05mm、平均晶粒度為8~9級(jí)的細(xì)晶區(qū),試樣近內(nèi)壁位置的平均晶粒度為4~5級(jí),壁厚中部位置的平均晶粒度為6~7級(jí),外壁附近的平均晶粒度為5~6級(jí),近內(nèi)壁位置存在少量滑移線,老化1~2級(jí),即未老化~輕度老化;內(nèi)壁氧化皮厚度不均勻,氧化皮外層已全部脫落,最厚處厚度為0.03mm。
表1 2根管樣直管部位壁厚及外徑測(cè)量結(jié)果
表2 金相分析結(jié)果
表3 管樣能譜成分分析結(jié)果(wt%)
2-4試樣裂紋外壁開(kāi)口較大,內(nèi)壁開(kāi)口較小,外壁附近存在較厚的氧化物,由外壁啟裂,并向內(nèi)壁擴(kuò)展,主裂紋附近存在沿晶的二次裂紋,主裂紋外壁附近存在較多的滑移線;顯微組織為奧氏體+孿晶+第二相析出物,內(nèi)壁附近存在沿壁厚方向厚度約為0.05mm、平均晶粒度為8~9級(jí)的細(xì)晶區(qū),試樣近內(nèi)壁位置的平均晶粒度為4~5級(jí),壁厚中部位置的平均晶粒度為6~7級(jí),外壁附近的平均晶粒度為5~6級(jí);老化1~2級(jí),即未老化~輕度老化,內(nèi)壁氧化皮已基本脫落,厚度不足0.01mm。
2-5試樣的顯微組織為奧氏體+孿晶+第二相析出物,內(nèi)壁附近存在沿壁厚方向厚度約為0.05mm、平均晶粒度為8~9級(jí)的細(xì)晶區(qū),試樣近內(nèi)壁位置的平均晶粒度為4~5級(jí),壁厚中部位置的平均晶粒度為6~7級(jí),外壁附近的平均晶粒度為5~6級(jí),近內(nèi)壁和壁厚中部位置存在少量的滑移線,外壁附近存在較多的滑移線,老化1~2級(jí),即未老化~輕度老化,內(nèi)壁氧化皮已基本脫落,厚度不足0.01mm。
3.3.1 金屬基體成分分析
在FEI Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對(duì)各管樣進(jìn)行能譜成分分析,結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明:管樣的材質(zhì)與設(shè)計(jì)材料相符,不存在錯(cuò)用材料問(wèn)題。
3.3.2 能譜分析和斷口形貌分析
使用FEI Quanta 400型掃描電鏡對(duì)2號(hào)管樣裂紋斷口進(jìn)行SEM形貌觀察,未清洗前的斷口存在較厚的氧化物,使用OXFORD INCA Energy X射線能譜儀對(duì)斷口表面存在的氧化物進(jìn)行成分分析,結(jié)果如表4所列。管樣斷口表面氧化物成分除O、Fe、Si、Mn、Cr、Ni等外,還有Na、Ca、K、Mg、S等煤灰成分。
表4 2號(hào)管樣斷口未酸洗前氧化物能譜成分結(jié)果(wt%)
圖3 2號(hào)管樣斷口未酸洗前形貌
圖4 2號(hào)管樣斷口酸洗后形貌
使用弱酸對(duì)斷口表面進(jìn)行清洗,清洗后的斷口微觀形貌如圖4所示。斷口形貌呈冰糖狀的沿晶斷裂,且存在沿晶的二次裂紋。
在 F E I Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對(duì)2-4號(hào)試樣裂紋內(nèi)的氧化物進(jìn)行半定量的能譜成分分析,結(jié)果如表5、表6所列,微區(qū)分析位置如圖13、圖6所示。結(jié)果表明:裂紋中的氧化物成分除O、Fe、Si、Cr、Mn、Cr等外,還存在S元素。
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 231.1-2009在HB3000型臺(tái)式硬度試驗(yàn)機(jī)上對(duì)1-1、1-2、1-3金相環(huán)樣進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn),硬質(zhì)合金球直徑為5mm,試驗(yàn)力為750kfg;由于2-1、2-2、2-3金相環(huán)樣,2-4、2-5金相試樣的晶粒度不均勻,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009在VH1150型維氏硬度試驗(yàn)機(jī)上對(duì)各金相試樣不同的晶粒度位置進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn),載荷10kgf,保 荷10s。 在金相環(huán)樣上每間隔90°測(cè)量1點(diǎn),共測(cè)量4點(diǎn),硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7,結(jié)果表明:
圖5 2-4號(hào)試樣裂紋外壁附近氧化物成分能譜分析位置
圖6 2-4號(hào)試樣裂紋中部氧化物成分能譜分析位置
1-1、1 -2試樣(直管段)的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新鋼管的要求,1-3試 樣(彎頭處)的硬度高于1-1、1-2試 樣, 且高于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新鋼管的上限要求。
泄漏管樣各部位外壁附近的硬度均高于同一位置近內(nèi)壁及壁厚中部處, 2-1、2-2試樣部分位置近外壁、2-3試樣的內(nèi)弧面?zhèn)群屯饣∶鎮(zhèn)取?-4、2-5的硬度均高于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新鋼管的要求。
在如圖1所示的1-1、1-2、2-1、2-2位置上各加工2個(gè)(1個(gè)位于外弧面?zhèn)?、?個(gè)位于內(nèi)弧面?zhèn)龋├煸嚇?,依?jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2010進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為CMT5205。8個(gè)試樣的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8,結(jié)果表明:各試樣的室溫拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新鋼管的要求。
表5 2-4號(hào)試樣裂紋外壁附近氧化物能譜成分結(jié)果(wt%)
表6 2-4號(hào)試樣裂紋中部氧化物能譜成分結(jié)果(wt%)
表7 硬度試驗(yàn)結(jié)果列表
表8 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)屏過(guò)泄漏管樣(2號(hào))及其鄰近管樣(1號(hào))進(jìn)行了宏觀形貌檢查及幾何尺寸測(cè)量、金相分析、掃描電鏡和能譜成分分析、硬度試驗(yàn)和室溫拉伸性能試驗(yàn)。結(jié)果綜述如下:
泄漏管樣在彎頭外弧面?zhèn)葯M向開(kāi)裂泄漏,裂紋的斷口表面平整,沿外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展,未見(jiàn)明顯的塑性變形;管樣各部位均未見(jiàn)明顯減薄,外徑未見(jiàn)明顯脹粗。
泄漏管樣裂紋處外壁開(kāi)口較大,內(nèi)壁開(kāi)口較小,靠外壁附近存在較厚的氧化物,由外壁啟裂,并向內(nèi)壁擴(kuò)展;主裂紋附近存在沿晶的二次裂紋,裂紋附近存在滑移線;泄漏管樣的顯微組織正常,晶粒度不均勻,晶粒度為4~9級(jí),老化1~2級(jí);鄰近管樣各部位的顯微組織正常,晶粒度均為4~5級(jí),老化1~2級(jí)。
管樣的材質(zhì)與設(shè)計(jì)材料相符,不存在錯(cuò)用材料問(wèn)題;泄漏管管樣斷口表面氧化物成分除O、Fe、Si、Mn、Cr、Ni等外,還有 Na、Ca、K、Mg、S等煤灰成分;弱酸清理掉表面的氧化物后斷口形貌呈冰糖狀的沿晶斷裂,且存在沿晶的二次裂紋。
泄漏管樣各部位外壁附近的硬度高于同一位置近內(nèi)壁及壁厚中部處,2-1、2-2試樣部分位置近外壁、2-3試樣的內(nèi)弧面?zhèn)群屯饣∶鎮(zhèn)取?-4、2-5的硬度均高于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新鋼管的要求;鄰近管樣1-1、1-2試樣(直管段)的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新鋼管的要求,1-3試樣(彎頭處)的硬度高于1-1、1-2試樣,且高于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新鋼管的上限要求。
兩根管樣各部位的室溫拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新鋼管的要求。
經(jīng)過(guò)8.5萬(wàn)小時(shí)的運(yùn)行,泄漏管樣和鄰近管樣的老化等級(jí)為1~2級(jí),室溫拉伸性能符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP347H新鋼管的要求,管子的材質(zhì)狀態(tài)正常;泄漏管樣各部位的晶粒度不均勻,且直管段硬度差別較大,這說(shuō)明了管子在制造過(guò)程中質(zhì)量不理想,與鄰近管子相比有差別;泄漏管樣彎管處及裂紋附近存在較多滑移線,直管段則未見(jiàn)滑移線,且泄漏管樣彎管外弧面開(kāi)裂位置附近的硬度值高達(dá)280HV,這說(shuō)明了管子在冷彎加工后未進(jìn)行固溶處理,致使在彎管處存在較大的殘余應(yīng)力;主裂紋附近存在沿晶的二次微裂紋,微裂紋內(nèi)有氧化物,斷口微觀形貌呈冰糖狀沿晶斷裂,由此可以判斷彎管橫向開(kāi)裂的性質(zhì)是沿晶應(yīng)力腐蝕。
在鍋爐運(yùn)行期間,TP347H鋼管的服役溫度正好處于其敏化溫度區(qū)間(500℃~850℃),在該溫度區(qū)間內(nèi),C元素的固溶度下降(相對(duì)于固溶處理溫度),但仍有較高的遷移能量,晶界能量高,容易滿足新相形核所需的能量條件,晶界附近的C率先與晶界附近的Cr元素結(jié)合并向晶界析出,由于C原子尺寸小,遷移速度較Cr原子快很多,所以遠(yuǎn)離晶界的C不斷向晶界附近遷移并與Cr結(jié)合在晶界附近析出,從而造成晶界附近貧鉻,形成貧鉻區(qū),這就直接導(dǎo)致該部位喪失鈍態(tài)(不能形成連續(xù)的含Cr氧化膜,正是該氧化膜決定奧氏體不銹鋼的抗氧化、抗腐蝕能力),使晶界弱化。
管子經(jīng)過(guò)冷彎加工后未進(jìn)行固溶處理,彎管處存在較大的殘余應(yīng)力,運(yùn)行期間還存在熱脹應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等,在這些較大的綜合應(yīng)力作用下,晶粒間的貧鉻區(qū)就會(huì)選擇性的氧化腐蝕,從而形成沿晶裂紋。
綜上所述,材料為T(mén)P347H的屏式過(guò)熱器彎管泄漏性質(zhì)是沿晶應(yīng)力腐蝕,是在晶界貧鉻條件下,受彎管加工殘余應(yīng)力和熱脹應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力的綜合作用發(fā)生開(kāi)裂泄漏。
屏式過(guò)熱器泄漏性質(zhì)為沿晶應(yīng)力腐蝕,是在晶界貧鉻條件下,受彎管加工殘余應(yīng)力和熱脹應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力的綜合作用發(fā)生開(kāi)裂泄漏。