李文華 ， 柯安鵬

（廣東省粵電集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東 珠海 519060）

0 引言

目前，我國(guó)火力發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向?yàn)楦咝省⒊瑵崈襞欧虐l(fā)電技術(shù)，要達(dá)成這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于如何提高機(jī)組的熱效率，而提高鍋爐的蒸汽參數(shù)（溫度、壓力）是主要途徑[1-2]。鍋爐的蒸汽參數(shù)主要受金屬材料性能的限制，隨著機(jī)組容量的增大，鍋爐受熱面如高溫過(guò)熱器和再熱器的工作溫度升高，對(duì)金屬材料在耐熱性能和抗氧化性能等方面要求越高[3-5]。因應(yīng)大容量鍋爐的需要，新型奧氏體耐熱鋼成為電站600 ℃左右蒸汽溫度服役的關(guān)鍵材料[6]。

SA213-TP347HFG 不銹鋼是日本住友集團(tuán)在SA213-TP347H 鋼的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，其與TP347H成分相同但加工制造、處理工藝不同。該鋼是用Nb 穩(wěn)定的Cr-Ni 奧氏體鋼且晶粒明顯細(xì)化，持久強(qiáng)度比ASME 規(guī)范的規(guī)定值高約20%，焊接性能、疲勞性能大大優(yōu)于常規(guī)的TP347H 鋼管，且具有較好的抗腐蝕性能、良好的組織穩(wěn)定性和更優(yōu)異的抗氧化及剝離性能。其化學(xué)成分見(jiàn)表1，供貨狀態(tài)為1 100 ℃以上固溶處理，力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求（表2）。由于其良好的綜合性能，TP347HFG奧氏體不銹鋼在過(guò)熱器和再熱器管等鍋爐高溫高壓受熱面管材中得到廣泛應(yīng)用，最高工作溫度可達(dá)650 ℃[7]。

表 1 TP347HFG 不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of TP347HFG stainless steel (mass fraction /%)

表 2 TP347HFG 不銹鋼力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of TP347HFG stainless steel

發(fā)電廠2 臺(tái)700 MW 鍋爐為日本三菱MBFRR 型2290 t/h 亞臨界強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，過(guò)熱器出口溫度為541 ℃，壓力為17.6 MPa，2000 年投產(chǎn)。鍋爐設(shè)計(jì)所用三級(jí)過(guò)熱器材料有SA213?T22、CASE2199、SA213?T91，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)這些材質(zhì)過(guò)熱器易受吹灰器蒸汽吹灰磨損，大部分有明顯凹坑，僅1 a 左右時(shí)間就有部分爐管吹損超標(biāo)(吹損量最大達(dá)3.0～3.5 mm/a)，嚴(yán)重影響鍋爐安全運(yùn)行。但處在同樣區(qū)域的作為夾持管的SA213-TP347HFG 材料受吹損很少，5～6 a 僅吹損約1.3 mm，表現(xiàn)出極高的高溫耐磨性，因此，2006 年將易受吹灰影響區(qū)域的原材質(zhì)SA213?T22、CASE 2199、SA213?T91 各246 根 三 級(jí) 過(guò) 熱 器 改 造 為T(mén)P347HFG 材質(zhì)。

近期，一安全運(yùn)行78 800 h 的三級(jí)過(guò)熱器彎頭出現(xiàn)泄漏，規(guī)格為?48.6 mm×9.7 mm，材質(zhì)SA213?TP347HFG（圖1），泄漏口未見(jiàn)明顯氧化物剝離和吹灰磨損減薄現(xiàn)象。由于這是該廠SA213?TP347 HFG 過(guò)熱器管第1 次出現(xiàn)泄漏，分析造成泄漏的原因?qū)φ莆赵撆牧戏矍闆r和預(yù)防類(lèi)似事故具有重大的意義。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 硬度測(cè)試

《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對(duì)火力發(fā)電廠所使用的金屬材料硬度做了較具體的要求，若金屬材料在服役期硬度不符合該規(guī)程則可能對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行造成重大威脅，同時(shí)硬度可反映其力學(xué)性能狀況，因此硬度分析是火力發(fā)電廠金屬監(jiān)督必不可少的環(huán)節(jié)。規(guī)程規(guī)定TP347HFG 鋼硬度值標(biāo)準(zhǔn)為≤HB 192，控制范圍為HB 140～192[8]。對(duì)爆管樣泄漏口左側(cè)5 mm 處按環(huán)狀每隔120°共取3 個(gè)試樣進(jìn)行布氏硬度分析，結(jié)果為HB162～175，符合規(guī)程的要求。

圖 1 SA213?TP347HFG 過(guò)熱器管泄漏宏觀圖Fig.1 Leakage spots of TP347HFG stainless steel superheater tube

1.2 金相組織分析

TP347HFG 鋼為高強(qiáng)度奧氏體不銹鋼，熱處理工藝是1 100 ℃以上溫度進(jìn)行固溶處理，顯微組織為單相奧氏體組織，伴有細(xì)小彌散的碳化物（如NbC、Cr23C6等）分布在基體起釘扎強(qiáng)化作用，鋼中加Nb 后會(huì)抑制M23C6的析出，使M23C6的析出時(shí)間推遲[9]。TP347HFG 不銹鋼供亞臨界超臨界鍋爐用鋼晶粒度在7 級(jí)左右，圖2 為備件TP347 HFG 鋼（與爆管同批采購(gòu)）新管的顯微組織，晶粒度7～9 級(jí)，符合ASME 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于SA213?TP347HFG鋼的使用條件要求。截取此次爆管斷口右側(cè)5 mm處一段材料制作金相試樣進(jìn)行組織分析，腐蝕液為3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氯化鐵鹽酸酒精溶液，可見(jiàn)晶粒度較大，達(dá)到3～4 級(jí)，晶粒明顯變粗（圖3）。圖4為同一根爐管遠(yuǎn)離斷口1 m 處金相組織，晶粒度也較大，達(dá)到4～5 級(jí)。綜上所述，TP347HFG鋼晶粒是在服役時(shí)長(zhǎng)大的，原因?yàn)樵搮^(qū)域爐管長(zhǎng)期超溫運(yùn)行（該廠三級(jí)過(guò)熱器設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為549 ℃，實(shí)際部分區(qū)域可達(dá)850 ℃）。

圖 2 TP347HFG 不銹鋼原始顯微組織Fig.2 Microstructure of TP347HFG stainless steel

圖 3 TP347HFG 不銹鋼斷口右側(cè)5 mm 處顯微組織Fig.3 Microstructure of area 5 mm away from fracture of TP347HFG stainless steel

晶粒度長(zhǎng)大會(huì)造成材料硬度等力學(xué)性能一定程度的下降，所以爆管是否由晶粒粗大引起應(yīng)結(jié)合此時(shí)的硬度值分析。由硬度分析可知，該處TP347HFG 不銹鋼顯微組織晶粒度滿足高溫使用要求，因此晶粒粗大不是造成此次三級(jí)過(guò)熱器爆管的直接原因，但揭示出該段三級(jí)過(guò)熱器TP347HFG不銹鋼在長(zhǎng)期高溫工況下晶粒長(zhǎng)大傾向即原子運(yùn)動(dòng)的能力較強(qiáng)，有必要繼續(xù)從顯微組織方面入手分析造成爆管的原因。

圖 4 TP347HFG 不銹鋼遠(yuǎn)離斷口1 m 處顯微組織Fig.4 Microstructure of area 1 m away from fracture of TP347HFG stainless steel

1.3 斷口裂紋分析

從斷口取一段橫截面進(jìn)行SEM 電鏡分析其裂紋形態(tài)和基體組織。由圖5 可知斷口橫截面上存在二次裂紋，且為沿晶裂紋；從圖6 橫截面基體顯微組織可見(jiàn)晶界有大量非連續(xù)微孔洞，這些孔洞處對(duì)腐蝕極其敏感，極有可能是造成爆管的裂紋源?？紤]到TP347HFG 不銹鋼特點(diǎn)是奧氏體基體加大量細(xì)小彌散的碳化物且高溫下原子運(yùn)動(dòng)能力較強(qiáng)，這些微裂紋是由于晶界碳化物長(zhǎng)大導(dǎo)致的晶界貧鉻造成的。從圖7 晶界可見(jiàn)大量白色粒子，能譜分析結(jié)果表明其為Cr 的碳化物Cr23C6（圖8），證實(shí)了晶界貧鉻是造成此次爆管的重要因素，導(dǎo)致?tīng)t管沿晶斷裂（從圖9 可見(jiàn)典型的沿晶斷裂形貌）。

圖 6 斷口橫截面基體顯微組織Fig.6 Microstructure of the fracture

圖 7 斷口橫截面顯微組織Fig.7 Microstructure of the fracture

圖 8 晶界白色粒子能譜分析Fig.8 Energy spectrum analysis of the white particle in the grain boundary

圖 9 斷口掃描電鏡形貌Fig.9 SEM micrograph of the fracture

2 結(jié)果與討論

雖然奧氏體不銹鋼有較高的抗腐蝕性能，但其有應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕等傾向，其中危險(xiǎn)最大的是晶間腐蝕[10]。在一定的溫度范圍（450～850 ℃），奧氏體內(nèi)的過(guò)飽和碳會(huì)與固溶體的鉻結(jié)合形成Cr23C6碳化物在晶界沉淀析出，由于碳原子向晶粒間界的擴(kuò)散速度大于鉻原子的擴(kuò)散速度，因此，在碳化物周?chē)墓倘荏w內(nèi)即在晶粒間界及其鄰近的區(qū)域的鉻由于Cr23C6的析出而含量大大降低，而晶內(nèi)的鉻又來(lái)不及向晶界擴(kuò)散，因而形成貧鉻區(qū)，引發(fā)晶間腐蝕傾向，基體的電極電位下降，其耐腐蝕性也大大降低[11]。因此碳化物沉淀(Cr23C6)析出的溫度450～850 ℃也稱(chēng)為不銹鋼晶間腐蝕的敏化溫度[12]。SA213?TP347HFG 爐管的工作溫度剛好處于此敏化區(qū)間，極易在晶界產(chǎn)生碳化物Cr23C6，通過(guò)能譜分析奧氏體晶界白色析出物也證明確實(shí)有Cr23C6沉淀的存在。

發(fā)電廠鍋爐的“四管”，特別是三級(jí)過(guò)熱器，長(zhǎng)時(shí)間在高溫有時(shí)甚至是超溫條件下工作，比在常溫下對(duì)腐蝕介質(zhì)更敏感，尤其是在疊加加工殘余應(yīng)力或熱應(yīng)力的情況下。該段三級(jí)過(guò)熱器彎頭處雖無(wú)金屬溫度測(cè)點(diǎn)，但從其晶粒組織明顯粗大推測(cè)其超溫溫度較高，時(shí)間較長(zhǎng)。一是彎頭處蒸汽流動(dòng)阻力較大，鍋爐升爐期間此處過(guò)熱器管若疏水不暢，容易導(dǎo)致超溫現(xiàn)象。二是此處若有脫落氧化皮或雜質(zhì)堆積，亦會(huì)造成超溫運(yùn)行，在鍋爐吹管階段應(yīng)予以注意。因此，長(zhǎng)期超溫工況下的晶間腐蝕導(dǎo)致了此次SA213?TP347HFG 三級(jí)過(guò)熱器的爆管。

3 改進(jìn)措施

SA213?TP347HFG 不銹鋼由于其優(yōu)秀的高溫力學(xué)性能、抗腐蝕性能在亞臨界超臨界鍋爐得到大量應(yīng)用，但并不表示可以忽略對(duì)此種金屬材料的監(jiān)督。該事故提示應(yīng)該加強(qiáng)如下工作：

1）嚴(yán)格控制鍋爐不超溫運(yùn)行，及時(shí)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整或合理安排吹灰使其在推薦的工作溫度范圍內(nèi)，不超極限允許溫度（設(shè)計(jì)極限溫度為585 ℃）。金屬溫度測(cè)點(diǎn)應(yīng)合理安排位置，增加測(cè)點(diǎn)數(shù)量也是較好的選項(xiàng)。

2）加強(qiáng)鍋爐汽水品質(zhì)監(jiān)督，特別是Cl－、游離氧的控制（Cl－、游離氧會(huì)加劇晶界腐蝕傾向），品質(zhì)不合格時(shí)加強(qiáng)排污，若超允許值上限，則應(yīng)打閘停機(jī)，對(duì)鍋爐重新?lián)Q水。

3）對(duì)此批次所更換的SA213?TP347HFG 管材彎頭進(jìn)行無(wú)損探傷（射線探傷或滲透探傷），若發(fā)現(xiàn)微小裂紋的存在，應(yīng)及時(shí)更換，微小裂紋往往是造成爆管的危險(xiǎn)源。在有條件的情況下，應(yīng)對(duì)SA213?TP347HFG 管材進(jìn)行高溫力學(xué)性能抽檢，確保不會(huì)由于奧氏體晶粒的長(zhǎng)大而使其不能滿足高溫高壓工況要求。

4 結(jié)論

1）管材組織奧氏體晶粒長(zhǎng)大，晶界處有碳化物Cr23C6析出，導(dǎo)致晶界貧鉻，抗腐蝕性能下降。

2）長(zhǎng)期高溫甚至超溫工況下的晶間腐蝕導(dǎo)致了SA213?TP347HFG 三級(jí)過(guò)熱器的爆管。