廣東粵電中山熱電廠有限公司 耿大斌

1 概述

廣東粵電中山熱電廠有限公司#3 爐主蒸汽流量計差壓變送器取壓一次門前短管2022年6月發(fā)生泄漏，該管設計材質(zhì)為304，規(guī)格為Φ16×3mm，額定工作溫度573℃，壓力12.96MPa，工作介質(zhì)為蒸汽，開始服役時間為2019年01月16日，取壓管服役位置如圖1所示。

圖1 取壓管服役位置

2 試驗分析及結(jié)果

2.1 宏觀觀察分析

觀察到試樣#1 外表面光滑，呈金屬光澤，存在1條橫向的穿透性裂紋，長約半圈，在穿透性裂紋兩端還存在多條橫向裂紋，管壁未見減薄，管徑未見脹粗現(xiàn)象。試樣的宏觀形貌如圖2所示。

圖2 試樣宏觀形貌

2.2 化學成分分析

采用德國Foundry Master 臺式真空火花發(fā)射光譜儀，對本次送檢試樣的化學成分按《火花放電原子發(fā)射光譜分析法通則》(GB/T 14203—2016)[1]和《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB/T 5310—2017)[2]要求進行檢測分析。試樣化學成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 試樣化學成分分析結(jié)果

結(jié)果表明：與國家標準相比，送檢試樣各元素的含量均在標準規(guī)定的范圍內(nèi)。判斷#3爐主蒸汽流量計差壓變送器取壓一次門前短管的化學成分與設計相符。

2.3 金相組織分析

試樣經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后，采用Leica-DMI5000金相顯微鏡對管子縱向截面進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)，管子外壁存在2處裂紋、近表面存在1處裂紋，在主裂紋附近還存在多條顯微裂紋，試樣裂紋照片如圖3所示，管子內(nèi)壁未見裂紋缺。

圖3 試樣裂紋照片

2.3.1 晶粒度評定

對拋光態(tài)金相試樣進行腐蝕，腐蝕劑為王水（硝酸：鹽酸=1：3），并根據(jù)《金屬平均晶粒度測定方法》(GB/T 6394—2017)[3]對腐蝕態(tài)金相試樣進行晶粒度等級評定。經(jīng)腐蝕后試樣的金相組織，通過與標準評級圖相比較，評定晶粒度等級為6.5 級，符合《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB/T 5310—2017)[2]中07Cr19Ni10不銹鋼晶粒度級別的要求。

2.3.2 金相組織分析

采用Leica-DMI5000 金相顯微鏡對進行金相組織觀察，基體母材的金相組織如圖4所示。

圖4 基體母材金相組織圖

基體母材及裂紋附近母材的金相組織為孿晶奧氏體，裂紋位于管子外表面或近表面，裂紋由外向內(nèi)擴展，裂紋尖端尖銳，在主裂紋附近還存在多條顯微裂紋，主裂紋及附近的顯微裂紋均為沿晶裂紋。管子外壁存在多處顯微沿晶裂紋，深約1～2個晶粒，裂紋位置金相組織如圖5所示。

圖5 裂紋位置金相組織

2.4 材料硬度試驗

依據(jù)《金屬材料維氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》(GB/T 4340.1—2009)[4]，采用bambino2 硬度試驗機對送檢的試樣基體母材、裂紋附近母材進行維氏硬度測試，裂紋附近母材的硬度測試點如圖6所示。

圖6 裂紋附近母材硬度測試點

測試結(jié)果將與《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB/T 5310—2017)[2]中07Cr19Ni10 不銹鋼的硬度標準值進行比較，送檢試樣的維氏硬度值（HV）如表2所示。由表2可知，試樣的硬度值符合標準要求。

表2 送檢試樣的維氏硬度值（單位：HV）

2.5 斷口SEM分析及EDS分析

在試樣圖示位置截取斷口試樣，斷口SEM分析取樣位置如圖7所示。

圖7 斷口SEM分析取樣位置

試樣經(jīng)超聲波清洗后，采用EVO18型掃描電子顯微鏡進行觀察，可以看到斷口呈冰糖狀形貌。斷口微觀形貌為典型的脆性沿晶斷裂形態(tài)。在斷口上選擇2 個位置進行EDS 分析，判斷斷口表面已經(jīng)發(fā)生氧化，覆蓋一層氧化膜。

3 分析與討論

一是試樣宏觀觀察可知，試樣外表面光滑，呈金屬光澤，外表面存在多條橫向裂紋，管壁未見減薄，管徑未見脹粗現(xiàn)象。

二是試樣化學成分分析可知，試樣各元素的含量均在標準規(guī)定的范圍。

三是試樣的晶粒度等級為6.5 級，符合標準的要求。

四是試樣金相組織分析可知，試樣的金相組織為孿晶奧氏體，裂紋位于管子外表面，由外向內(nèi)擴展，裂紋尖端尖銳，在主裂紋附近還存在多條顯微裂紋，主裂紋及附近的顯微裂紋均為沿晶裂紋。管子外表面存在多處顯微沿晶裂紋，深約1～2個晶粒。

五是觀察斷口SEM照片可知，斷口呈冰糖狀形貌，斷口上還存在少量二次裂紋，為典型的脆性沿晶斷裂形態(tài)。

六是斷口EDS 分析可知斷口表面已經(jīng)發(fā)生了氧化，覆蓋了一層氧化膜。

綜合各項試驗結(jié)果及相關分析可以判斷，#3 爐主蒸汽流量計差壓變送器取壓一次門前短管失效的原因是以晶間腐蝕[5]顯微裂紋為裂紋源的應力腐蝕開裂。管子額定工作溫度為573℃，這一溫度屬于不銹鋼晶間腐蝕的敏化溫度區(qū)間，在敏化溫度區(qū)間內(nèi)，富鉻碳化物在晶界析出，導致晶界附近的鉻含量降低，耐腐蝕性下降。雖然管子服役位置有遮雨罩遮擋，但是電廠位于亞熱帶地區(qū)，空氣濕度大，且短管外部未用鋁皮包裹，具有形成腐蝕的外部條件，在腐蝕介質(zhì)的作用下，管外表面形成了大量顯微沿晶裂紋。

機組投運后，主蒸汽管道膨脹，會對取壓一次門前短管施加一個附加的彎曲應力，管子外表面局部位置會存在與管子軸向平行的拉應力。以管子外表面晶間腐蝕顯微裂紋為裂紋源，在腐蝕介質(zhì)與拉應力的共同作用下，最終造成管子橫向的應力腐蝕開裂。

4 整改優(yōu)化方案

選用含Ti、Nb 的不銹鋼，如0Cr18Ni10Ti（321）、0Cr18Ni11Nb（347），提高抗晶間腐蝕能力，避免管子外表面形成顯微晶間裂紋。在管子外表面加裝保溫鋁皮，隔絕雨水及潮濕空氣，避免腐蝕介質(zhì)的積存。改進結(jié)構(gòu)設計，消除機運行過程中主蒸汽流量計差壓變送器取壓一次門前短管受到的附加彎曲應力。

5 結(jié)語

在火力發(fā)電工程中，高溫高壓取樣管的選材非常重要，需要按相應管道制造高標準和溫度壓力等級選取，在現(xiàn)場安裝時要考慮到膨脹位移的問題，避免產(chǎn)生附加應力，要做好保溫防腐措施。