TP347H過熱器管爆管原因分析

魏星，唐麗英

（1.神華福建能源有限責任公司，福州350004；2.西安熱工研究院有限責任公司，西安710032）

TP347H過熱器管爆管原因分析

魏星1，唐麗英2

（1.神華福建能源有限責任公司，福州350004；2.西安熱工研究院有限責任公司，西安710032）

通過宏觀檢查、金相組織、斷口形貌、力學性能檢驗，對某超超臨界機組二級過熱器TP347H的爆管原因進行了分析，結果表明：發(fā)生爆管的原因是材料內部存在顯微裂紋及局部偏析缺陷，建議制造廠在管子入廠時加強檢驗，發(fā)現(xiàn)有裂紋的管子及時更換。

TP347H；爆管；顯微裂紋；偏析

0 引言

TP347H（1Cr19Ni11Nb）是一種高碳含鈮的Cr -Ni奧氏體不銹鋼，其價格較為低廉，且具有良好的高溫力學性能及耐晶間腐蝕和應力腐蝕性能，在火力發(fā)電廠鍋爐高溫受熱面得到了廣泛的應用。但是也出現(xiàn)了很多TP347H鍋爐管失效案例，其典型失效方式包括彎管后不進行固溶處理而導致晶間腐蝕開裂、鍋爐管內壁氧化皮出現(xiàn)大量脫落堆積、加工工藝不當導致開裂、原材料供貨時存在裂紋、夾雜物、長期過熱導致材質老化損傷等。

某超超臨界機組二級過熱器TP347H發(fā)生爆管導致停爐，失效的管子規(guī)格為Φ54.0×8.4 mm，爆口位于二級過熱器右數(shù)第三屏前數(shù)第18根出口段，距下彎頭約5 m。二級過熱器的設計出口蒸汽溫度為498℃，出口金屬壁溫為550℃，最高金屬壁溫為574℃。該機組于2007年12月份投運，發(fā)生爆管時的累計運行時間為26 000 h。本文通過斷口宏觀分析和微觀分析、管材金相組織分析和力學性能測試，得出二級過熱器TP347H管的爆管原因，為防止同類事故發(fā)生提供參考。

1 試驗方法與標準

對爆管管段取樣進行斷口微觀組織和金相組織分析，并且對管子取樣進行拉伸性能和沖擊性能測試。用FEI Quanta400型SEM（掃描電子顯微鏡）和牛津INCA Energy X射線EDS（能譜儀）對斷口微觀形貌進行分析，用蔡司LSM700型激光共聚焦顯微鏡對試樣金相組織進行觀察和分析。

拉伸試驗按GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》在MTS880型拉伸試驗機上進行，沖擊試驗按GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》在JBC-300型電子測力沖擊試驗機上進行，最后綜合分析得出爆管原因。

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀分析

收到失效樣品時，爆口已被火焰切割從中間分開，兩側各帶長約350 mm的管子，宏觀形貌如圖1所示，圖中的1，2為斷口金相樣品取樣位置。爆口為縱向開裂的張開式大爆口，外壁顏色為灰色加土黃色，未見發(fā)黑；爆口邊緣未被火焰切割部分減薄約2 mm，整個管段未發(fā)現(xiàn)脹粗；爆口上外壁有明顯的翹皮、分層及凹痕等特征，并且翹皮與凹痕在爆裂前是同一位置。宏觀特征表明：爆口無明顯過熱特征，爆口部位可能存在缺陷。

圖1 爆口宏觀照片

2.2 金相組織分析

在爆口的翹皮和分層處取金相樣品，編號分別為1號、2號。磨面均為橫向，距離火焰割口約為15～20 mm，金相組織見圖2—圖3。由圖2（a）可知，爆口部位的翹皮處金相組織為奧氏體，晶粒未見拉長，說明翹皮不是斷裂產生的剪切唇，與基體金屬之間產生裂紋的時間應在鋼管出廠熱處理之前。由圖2（b）可以看出，1號樣品斷口附近的組織中存在大量沿晶分布的二次裂紋和孔洞，且走向與斷口主方向基本平行。

圖2 1號樣品斷口微觀組織

由圖3可以看出，2號樣品斷口靠近外壁分層處組織則為等軸晶，晶粒無拉長特征；在壁厚中部位置，斷口附近晶粒由等軸晶變成拉長形態(tài)，見圖3（a）；靠近內壁處斷口附近晶粒則明顯拉長，由此可以看出裂紋起源于外壁附近，從外壁向內壁擴展，隨著裂紋擴展，未開裂部分承受的應力逐漸增大，當應力超過管材的強度時發(fā)生斷裂，內壁側為終斷區(qū)。

2號樣品距離斷口10～20 mm處近外壁有2處裂紋缺陷。一處位于管壁內部，距外壁0.3～0.4 mm，長度約為1 mm；另一處自外壁斜向內擴展，長度約為0.8 mm，見圖3（b）—（e）；2號樣品2條裂紋附近及尖端均有明顯的夾雜物偏析，見圖3（c）和圖3（e）。

圖3 2號樣品微觀組織

以上分析說明，爆口起源于外壁附近的裂紋類缺陷，管段的金相組織無明顯老化現(xiàn)象。

2.3 斷口SEM分析

用FEI Quanta400型SEM和牛津INCA Energy X射線EPS對斷口微觀形貌進行了分析，結果如下：1號樣品斷口和2號樣品斷口的SEM照片見圖4、圖5，由圖可知：斷口靠近外壁處的氧化物很厚，斷口原始顯微形貌已無法觀察到；而靠近內壁處的氧化物較薄，可見斷口微觀形貌為韌窩，內壁是最終斷裂區(qū)，裂紋起源于外壁附近，這與金相分析結果一致。

圖4 1號樣品斷口SEM照片

圖5 2號樣品斷口SEM照片

2.4 力學性能檢驗

在爆口上下管段的爆口側和爆口對側分別加工縱向拉伸試樣和縱向沖擊試樣，拉伸試樣為原壁厚板狀試樣，沖擊試樣尺寸（10×5×55）mm，試驗結果見表1。由表可見，樣品的抗拉性能符合ASTM A213標準中對TP347H的要求，沖擊吸收能量正常，并且爆口側和爆口對側性能接近。

表1 力學性能試驗結果

3 分析與討論

綜合以上試驗分析結果，歸納二級過熱器TP347H爆管特點如下：

（1）管子力學性能符合相關標準要求，金相組織無明顯老化，無明顯過熱特征。

（2）斷口上的翹皮、凹痕等特征形成過程中未受力，是在管子制造過程中形成的。

（3）材料外壁及近外壁存在微裂紋、NbC（碳化鈮）夾雜物集中偏析等缺陷。

綜合以上失效特點可以判斷，二級過熱器TP347H失效的原因是：鍋爐管存在制造過程中產生的顯微裂紋及局部NbC集中偏析缺陷導致管子早期失效。

TP347H不銹鋼含有較高的合金元素，冶煉過程中容易出現(xiàn)元素偏析，爆口管外壁附近裂紋周圍存在明顯的集中分布的一次碳化物NbC，由于NbC析出物與基體組織的物理性能（如熱導率、線膨脹系數(shù)）不同，塑性變形能力存在差異，就會阻礙位錯的運動，破壞材料變形的連續(xù)性。高溫下奧氏體的塑性變形能力強，而析出相變形能力較差，析出相阻止晶界遷移，從而在析出相與基體金屬的界面處產生應力集中，在管材軋制過程中易產生微裂紋，在運行過程中微裂紋緩慢擴展，從而導致材料的早期失效。

4 結論

二級過熱器TP347H的爆管原因是材料內部的顯微裂紋及局部偏析缺陷導致的管子早期失效。制造廠在管子入廠檢驗時應加強檢驗，發(fā)現(xiàn)有裂紋的管子及時更換。

[1]趙勇．TP347H奧氏體不銹鋼高溫過熱器爆管原因分析[J]．吉林電力，2012，40（1）∶50-51．

[2]鄭坊平，張紅軍，高磊，等．TP347H奧氏體不銹鋼鍋爐管開裂原因分析[J]．熱加工工藝，2014，43（21）∶225-226．

[3]高榮，張少軍．TP347H不銹鋼高溫過熱器爆管原因分析[J]．內蒙古電力技術，2013，31（1）∶117-118．

[4]董紅年．超超臨界鍋爐屏式過熱器TP347H爆管分析[D] //第九屆電站金屬材料學術年會論文集.2011∶355-356．

[5]申雷．高溫再熱器SA-213TP347H鋼管破裂分析[J]．科技風，2012（12）∶78-79．

[6]張建國，張瑞剛，陳恩山，等．高溫再熱器TP347H管爆管分析[J]．熱加工工藝，2013，42（18）∶198-199．

[7]馬官兵，李曉紅，謝阿萌．鍋爐高溫受熱面TP347H管短期開裂分析[J]．武漢大學學報（工學版），2007，40（3）∶83-84．

[8]吳奭登，何衛(wèi)忠．某電廠再熱器TP347H管泄漏原因分析[J]．理化檢驗-物理分冊，2009（45）∶314-315．

[9]溫吉利，馮冰瀟，蔡昊．末級再熱器泄漏失效分析[J]．鍋爐制造，2014（6）∶18-19．

[10]梁志福，孫丙新，張濤，等．660 MW超臨界鍋爐末級過熱器爆管原因分析[J]．內蒙古電力技術，2013，31（3）∶27-28．

[11]鄭坊平，侯召堂，劉森，等．1 000 MW超超臨界鍋爐末級過熱器爆管原因分析[J]．鑄造技術，2014，35（8）∶1750-1751．

[12]李志剛，張宇博，姚兵印．超（超）臨界鍋爐機組高溫氧化案例分析與啟示[J]．中國電力，2014，47（8）∶92-93．

[13]姚兵印，李志剛，黨黎軍，等．660 MW超超臨界鍋爐末級再熱器氧化皮大面積剝落原因分析[J]．電力建設，2014，35（11）∶137-138．

[14]陳敦炳．超臨界鍋爐末級過熱器和末級再熱器的升級改造[J]．鍋爐技術，2014，45（4）∶61-62．

（本文編輯：徐晗）

Cause Analysis on Tube Burst of TP347H Superheater

WEI Xing1，TANG Liying2
（1.Shenhua（Fujian）Energy Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350004，China；
2.Xi′an Thermal Power Research Institute，Xi′an 710032，China）

Tube burst causes of secondary superheater TP347H in supercritical generating units are analyzed through macrographic examination and inspection on metallographic structure，fracture appearance and mechanical property.The result shows that the causes of the tube burst are microcracks and local segregation defects in the material.It is advised that the inspection on boiler tubes should be strengthened and the tubes with cracks should be replaced in time.

TP347H；burst tube；microcrack；segregation

TK228

：B

：1007-1881（2016）02-0060-03

2015-06-19

魏星（1970），男，高級工程師，長期從事發(fā)電廠生產技術管理工作。