國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司開(kāi)封發(fā)電分公司 海云飛 曹艷萍 華潤(rùn)電力（錫林郭勒）有限公司 唐艷志

TP347H 鋼作為一種高碳含鈮型奧氏體耐熱鋼，是ASME 標(biāo)準(zhǔn)中的成熟鋼號(hào)，GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)應(yīng)鋼號(hào)07Cr18Ni11Nb。與其他300系奧氏體鋼(TP304、TP321H 和TP316H 等)相比，TP347H 鋼具有更高的許用應(yīng)力以及更高的蠕變斷裂強(qiáng)度。20世紀(jì)80年代初我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)美國(guó)燃燒工程公司300MW 和600MW 機(jī)組汽包鍋爐制造技術(shù)，在鍋爐受熱面高溫段首次使用TP347H 鋼。鑒于TP347H 鋼優(yōu)良的綜合性能，目前己被廣泛用于超(超)臨界機(jī)組過(guò)熱器、再熱器以及屏式過(guò)熱器的高溫段等高溫高壓部件。GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》要求進(jìn)行固溶處理：熱軋（擠壓、擴(kuò)）鋼管固溶溫度不低于1050℃，冷拔（軋）鋼管固溶溫度不低于1100℃，急冷，奧氏體晶粒度級(jí)別4～7級(jí)。

某600MW 超臨界機(jī)組鍋爐為DG1900/25.4-Ⅱ1型超臨界參數(shù)變壓直流本生爐，一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道、采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐。高溫過(guò)熱器蛇形管屏位于折焰角上部，順流布置，沿爐寬方向布置了31屏，管排橫向節(jié)距S1=609.6mm，管子縱向節(jié)距S2=57mm，每屏由20根管子并聯(lián)繞制而成，入口、出口端上部最外圈管為Φ50.8mm×7/9mm，其余為Φ45mm×7/8.5mm，材料為T(mén)91；其余爐內(nèi)受熱面管子材質(zhì)均為T(mén)P347H，最外圈管子規(guī)格為Φ50.8mm×10/9mm，其余為Φ45mm×8.5mm。

2021年9 月，在正常運(yùn)行期間鍋爐高溫過(guò)熱器發(fā)生了爆管，機(jī)組累積運(yùn)行8.4萬(wàn)小時(shí)。高溫過(guò)熱器爆管處為爐左數(shù)第8屏后數(shù)第2根距頂棚約7m處，見(jiàn)圖1所示。爆管處鋼管材質(zhì)TP347H、規(guī)格Φ45mm×8.5mm。

圖1 高溫過(guò)熱器管排結(jié)構(gòu)及爆管部位示意

1 檢查情況

1.1 宏觀檢查

宏觀爆口形貌見(jiàn)圖2。高溫過(guò)熱器爐左數(shù)第8屏后數(shù)第2根（以下簡(jiǎn)稱(chēng)8-2）爆口形態(tài)為開(kāi)天窗式，爆口邊緣未見(jiàn)明顯減薄，為典型的厚唇開(kāi)裂；從滑動(dòng)塊相對(duì)位置看，爆口位于管子側(cè)面的迎煙側(cè)。爆口管段內(nèi)壁存在密集的縱向溝槽現(xiàn)象，且沿縱向較為平直。爆口及附近管段外壁存在蒸汽沖刷特征，未見(jiàn)縱向溝槽，見(jiàn)圖3。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)高溫過(guò)熱器爆口宏觀形貌

圖3 實(shí)驗(yàn)室爆口宏觀形貌

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)爆口管圈TP347H 管材采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行脹粗測(cè)量，檢測(cè)部位及檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1所示，其中每個(gè)檢測(cè)部位垂直測(cè)量?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)。檢測(cè)結(jié)果表明：爆口管不同區(qū)域均出現(xiàn)了脹粗現(xiàn)象，且越靠近爆口處脹粗越明顯；爆口管段上游緊鄰的跨焊縫后TP347H 管未見(jiàn)明顯脹粗；測(cè)量結(jié)果為負(fù)值區(qū)域?qū)嶋H管徑與設(shè)計(jì)管徑存在一定偏差。

表1 測(cè)量結(jié)果

1.2 成分分析

采用Niton XL3t980合金分析儀依據(jù)DL/T 991-2006《電力設(shè)備金屬光譜分析技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)爆口管段、爆口上游相鄰跨焊縫管段進(jìn)行主要合金元素含量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 成分檢測(cè)結(jié)果（wt%）

1.3 硬度檢測(cè)

在爆口張口最大處、爆口下游約1m 處、爆口上游跨焊縫管段處的分別去橫截面試樣，在橫截面中心區(qū)域使用Wilson BH3000布氏硬度計(jì)依據(jù)GB/T231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)（載荷187.5kgf，2.5mm 鋼球），檢測(cè)位置及檢測(cè)結(jié)果如下：爆口張口最大處195，爆口下游約1m 處174、171、167，爆口上游跨焊縫管段161、164、156，ASME TP347H ≤192。從檢測(cè)結(jié)果可看出：爆口張口最大處硬度高于標(biāo)準(zhǔn)上限；所檢測(cè)其他部位硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，爆口下游約1m 硬度明顯高于爆口上游跨焊縫管段。

1.4 金相組織分析

對(duì)爆口張口最大處、爆口下游約1m 處、爆口上游跨焊縫管段處的橫截面中心區(qū)域磨拋后，侵蝕劑為三氯化鐵鹽酸水溶液，使用Leica DMi8C 金相顯微鏡并依據(jù)DL/T884-2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》、GB/T6394-2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》進(jìn)行組織分析和晶粒度級(jí)別評(píng)定。爆口張口最大處：拋光態(tài)下爆口邊緣外壁、爆口斷面存在大量微裂紋及蠕變裂紋，見(jiàn)圖4、圖5。爆口內(nèi)壁存在溝槽狀開(kāi)口，見(jiàn)圖6、圖7。侵蝕后發(fā)現(xiàn)晶粒度級(jí)別9.5級(jí)，晶界、晶內(nèi)存在大量σ 析出相，見(jiàn)圖8。爆口上游跨焊縫管段處（爆口上游約1.5米處，與爆口非同一根管段）：晶粒度級(jí)別6.5級(jí)，金相組織為奧氏體，見(jiàn)圖9。

圖4 拋光態(tài)爆口斷面微裂紋

圖5 侵蝕態(tài)爆口斷面微裂紋

圖6 拋光態(tài)內(nèi)壁溝槽

圖7 侵蝕態(tài)內(nèi)壁溝槽

圖8 爆口壁厚中間區(qū)域

圖9 爆口上游跨焊縫管段壁厚中心區(qū)域

2 分析與討論

2.1 宏觀失效特征及現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

高溫過(guò)熱器的爆口為開(kāi)天窗式爆口，典型的厚唇開(kāi)裂，為脆性斷裂失效特征。通過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)爆口及爆口附近的管段存在管徑脹粗特征，表明爆口管段已出現(xiàn)了明顯的蠕變損傷?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)同一根管圈的蠕變應(yīng)變量進(jìn)行檢測(cè)，表明爆口管段存在較明顯的管徑脹粗。而距離爆口僅約1m 處的上游跨焊縫管段未出現(xiàn)脹粗現(xiàn)象，表明僅局部管段出現(xiàn)了管徑脹粗變化。按照DL/T438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》9.3.19 c）要求：奧氏體耐熱鋼管子蠕變應(yīng)變大于4.5%需進(jìn)行換管處理。高溫過(guò)熱器發(fā)生爆管的鋼管出現(xiàn)明顯的脹粗，并未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此可看出僅依靠管徑測(cè)量具有一定的局限性。

鍋爐高溫過(guò)熱器進(jìn)口集箱特點(diǎn)，節(jié)流孔設(shè)置在進(jìn)口集箱，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高溫過(guò)熱器進(jìn)口集箱進(jìn)行了內(nèi)窺鏡檢查，未發(fā)現(xiàn)異物。爆管后對(duì)高溫過(guò)熱器所有底部彎頭進(jìn)行氧化皮堆積檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)氧化皮堆積現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)高溫過(guò)熱器管排開(kāi)展蠕變應(yīng)變量測(cè)量普查，每層間隔2米、共六層。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)：高溫過(guò)熱器左數(shù)第25屏外數(shù)第20根彎頭出口側(cè)直段管存在輕微脹粗現(xiàn)象，實(shí)測(cè)管徑45.50mm。金相檢測(cè)結(jié)果表明晶粒度8.5級(jí)，見(jiàn)圖10。

圖10 晶粒度8.5級(jí)

2.2 理化試驗(yàn)結(jié)果分析

爆口管段合金成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，不存在錯(cuò)用材料；爆口張口最大處硬度高于標(biāo)準(zhǔn)上限，主要與組織中大量析出相的析出強(qiáng)化有關(guān)，與爆管后的劇烈變形強(qiáng)化也有一定關(guān)系；爆口處、爆口管段晶粒度級(jí)別不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)存在大量σ 相析出。作為對(duì)比的爆口上游跨焊縫管段金相組織未見(jiàn)異常；擴(kuò)大檢查的管徑出現(xiàn)脹粗的管，晶粒度級(jí)別不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 綜合分析

包括受熱面內(nèi)彎頭處堆積的氧化皮、節(jié)流孔及受熱面管內(nèi)的異物往往是導(dǎo)致鍋爐受熱面過(guò)熱及爆管的直接原因。采用內(nèi)窺鏡檢查、氧化皮堆積檢測(cè)等方式，排除了異物堵塞導(dǎo)致爆管的可能性。調(diào)取鍋爐歷史壁溫曲線，從2014年至今此鍋爐未出現(xiàn)明顯超溫情況。根據(jù)鍋爐受熱面選材特點(diǎn)結(jié)合以往過(guò)熱爆管的部位，如果高溫過(guò)熱器因氧化皮堆積或異物堵塞發(fā)生超溫爆管，將發(fā)生于緊鄰T91/TP347H異種鋼接頭上方的T91母材。基于此，排除因受熱面運(yùn)行超溫導(dǎo)致爆管的可能性。

TP347H 奧氏體耐熱鋼由于具有良好的抗高溫氧化性能、蠕變性能、抗晶間腐蝕性能，且焊接及冷熱加工性能優(yōu)良，己被廣泛地應(yīng)用到電廠的維修及國(guó)內(nèi)超臨界大容量電站鍋爐的制造，DL/T715-2015《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》推薦應(yīng)用于煙氣側(cè)壁溫≤670℃受熱面。奧氏體不銹鋼其室溫下主要為奧氏體組織，在加熱或冷卻過(guò)程中均不發(fā)生固態(tài)相變，因此不能直接通過(guò)熱處理改變其晶粒，必須在制造過(guò)程中利用冷變形或冷變形后的再結(jié)晶來(lái)細(xì)化。對(duì)于正常工藝生產(chǎn)的TP347H 奧氏體不銹鋼管，GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)其晶粒度級(jí)別有明確的規(guī)定，即4～7級(jí)。

文獻(xiàn)[1]報(bào)道隨著時(shí)效時(shí)間的增加，TP347H 耐熱鋼基體中奧氏體晶粒尺寸無(wú)明顯變化。文獻(xiàn)[2]報(bào)道晶粒越細(xì)、晶界越多，越容易形成σ 相，其本身的脆性和所處位置決定了它是發(fā)生服役早期失效的最薄弱環(huán)節(jié)。σ 脆性相的產(chǎn)生是導(dǎo)致管樣塑性下降及室溫硬度升高的主要原因，σ 相存在的溫度范圍通常在520℃～820℃之間，含Cr 量愈高的不銹鋼，形成的σ 相愈多。

σ 相通常在晶界上析出，尤其在三叉晶界處，在很長(zhǎng)時(shí)間的服役后也會(huì)在晶內(nèi)析出。按照傳統(tǒng)金屬學(xué)理論，晶粒越細(xì)，越容易析出σ 相，同時(shí)越易產(chǎn)生高溫蠕變損傷。對(duì)于TP347H 管材內(nèi)壁的縱向溝槽是塑性下降及蠕變損傷重要特征。文獻(xiàn)[3]中超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器用TP347H 奧氏體不銹鋼管爆管案例，均發(fā)生在累計(jì)運(yùn)行5萬(wàn)小時(shí)，爆管情況與本案例類(lèi)似，奧氏體不銹鋼管存在晶粒度過(guò)細(xì)的問(wèn)題。

綜上，高溫過(guò)熱器TP347H 材質(zhì)奧氏體不銹鋼管爆管機(jī)理為高溫蠕變；奧氏體晶粒度作為T(mén)P347H 關(guān)鍵性能參數(shù)，制造過(guò)程中與標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)生偏差，晶粒過(guò)于細(xì)小，促進(jìn)了σ 相在晶界大量析出，高溫蠕變性能下降，在溫度、內(nèi)壓因素共同作用下，壁溫水平高的部位發(fā)生爆管失效；通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)管徑發(fā)生脹粗（不超標(biāo)）的管材存在晶粒度超標(biāo)的情況，通過(guò)管徑測(cè)量可以進(jìn)行快速初步篩查。處于不同壁溫處管材，管徑測(cè)量存在局限性，對(duì)于壁溫水平較低的區(qū)域存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于已發(fā)生爆管的在役機(jī)組，奧氏體不銹鋼晶粒度超標(biāo)缺陷的快速有效篩查手段亟待研究。