600MW超臨界機組TP347H奧氏體不銹鋼高溫再熱器管爆管失效分析

李　戈，　陳鵬磊，　張　林

（華電電力科學研究院材料技術部，浙江杭州310030）

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600MW超臨界機組TP347H奧氏體不銹鋼高溫再熱器管爆管失效分析

李戈，陳鵬磊，張林

（華電電力科學研究院材料技術部，浙江杭州310030）

摘要：某電廠600MW超臨界機組在一個月內連續發生兩起高溫再熱器爆管泄漏事件，高溫再熱器管材質為SA-213TP347H，規格為Φ51×5 mm。對管件樣品進行綜合分析，結果表明，材料的化學成分、拉伸性能及硬度結果均符合美國標準ASTM A213/A213M中對TP347H鋼的要求。觀察管件樣品爆口的宏觀形貌，爆口處管壁減薄嚴重，爆口周圍管件表面有明顯的蒸汽沖刷痕跡，應為鄰近管子發生泄漏后管壁由于蒸汽吹損減薄而形成的二次爆口，非第一爆口位置。

在取樣管彎頭處、直管段、爆口旁分別取樣進行顯微組織分析發現，奧氏體晶界存在大量析出物。對碳化物進行元素分析，析出物為富鉻碳化物及富鈮碳化物。從碳化物的分布來看，富鉻碳化物僅存在于奧氏體晶界。依據奧氏體不銹鋼晶間腐蝕機理，鉻以碳化物（多為Cr23C6或（Cr、Fe）23C6）沿晶界析出，造成晶界鉻元素貧化。由于貧鉻晶界區與晶粒本體鈍化性能有差異，會降低奧氏體晶界電極電位，加劇奧氏體鋼晶間腐蝕傾向。

關鍵詞：TP347H； 高溫再熱器管； 泄漏； 晶間腐蝕； 晶界貧鉻

0　引言

某電廠600MW超臨界機組為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的直流鍋爐，單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、π型布置、露天布置。鍋爐燃用無煙煤，采用W火焰燃燒方式，在前、后拱上共布置有24組狹縫式燃燒器，6臺BBD4062（MSG4060A）雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統。

該機組一個月內先后兩次在運行中發生高溫再熱器泄漏事件，截至到第二次爆管泄露，鍋爐累計運行3000多小時。實驗室共收到現場所取的管樣四根，編號分別為75-7、73-5、74-5、75-4，如圖1所示。其中，73-5號管樣完好無爆口，其余樣品上均有大小、形貌不同的爆口。

1　檢驗項目及取樣位置說明

對來樣管件進行宏觀形貌檢查、化學分析、拉伸試驗、硬度試驗、金相組織檢驗、掃描電鏡形貌分析及能譜成分分析。

對所有管件樣品進行宏觀形貌檢查；對75-7號管樣（樣品管件上存在多處爆口）和73-5號管樣（樣品管件上不存在爆口）進行化學成分分析；在75-7號管樣和74-5號管樣無爆口的直管段取不同側面的多個條狀拉力試樣進行拉伸試驗（取樣具體位置如圖2所示）；對75-7號管樣不同位置切割的橫截面進行硬度試驗、金相組織檢驗、掃面電鏡形貌分析及能譜成分分析（取樣具體位置如圖3所示）。

硬度試驗、金相組織檢驗、掃面電鏡形貌分析及能譜成分分析均在75-7號管樣上進行，檢驗分析取樣位置如圖3所示，在圖中紅線所示的四個位置取環狀樣品截面進行硬度試驗，并分別在紅線所示位置1至位置3的管件內、外弧截取不同樣品進行顯微分析。硬度試驗及顯微分析取樣位置說明見表1。

表1　75-7號管樣硬度試驗及顯微分析取樣位置說明

2　檢驗結果

2.1宏觀檢查

如圖4所示，75-7號管樣上共有兩處爆口。一處爆口位于彎頭處（如圖4a）所示），爆口最大尺寸約為42 mm×30mm，爆口周邊管壁均勻嚴重減薄，管壁厚度約為0.80 mm；另一處爆口位于直管段（如圖4b）所示），爆口最大尺寸約為55 mm×35 mm，爆口周邊管壁減薄不均勻，最薄處僅為0.60 mm。直管段爆口旁的管壁外表面有蒸汽沖刷痕跡，此處測量外徑為47.75 mm，橢圓度為6.16%。由此確定此類爆口為鄰近管子發生泄漏后形成的二次爆口，管壁由于蒸汽沖刷或吹損而減薄，非第一爆口位置[1]。

任意截取75-7號管樣上無爆口的彎頭和直管位置橫截面樣品，如圖5a）所示，彎頭處橫截面有一側表面已沖刷成平面，測量此處壁厚為1.88 mm；如圖5b）所示，距爆口邊緣75 mm處的直管段外表面無蒸汽沖刷痕跡，橫截面最薄壁厚為3.64 mm。

如圖6所示，74-5號管樣上共有三處爆口，一處位于彎頭處（如圖6a）所示），兩處位于直管段（如圖6b）、c）所示）。彎頭處最大爆口尺寸約為12 mm×5 mm，；另兩處爆口位于直管段，如圖6b）所示爆口最大尺寸約為15 mm×6 mm，圖6 c）所示爆口最大尺寸約為18 mm× 2 mm。三處爆口周邊管壁均勻嚴重減薄，管壁最薄處厚度不足1 mm，爆口旁的管壁外表面有蒸汽沖刷痕跡，直管段爆口旁測量管件外徑分別為49.18 mm、 48.78 mm，橢圓度分別為4.96%、5.33%。

如圖7所示，75-4號管樣上共有三處爆口，一處位于彎頭處（見圖7 a）），兩處位于直管段（見圖7 b）、c））。彎頭處爆口最大尺寸約為50mm×4 mm，；另兩處爆口位于直管段，圖7 b）所示爆口最大尺寸約為110 mm×6 mm。三處爆口周邊管壁均勻嚴重減薄，管壁最薄處厚度約為1 mm，爆口旁的管壁外表面有蒸汽沖刷痕跡。

2.2化學分析

用化學法測定了75-7號管樣（樣品管件上存在多處爆口）和73-5號管樣（樣品管件上不存在爆口）主要元素的化學成分，結果見表2。

表2　樣品管件（SA-213TP347H）化學成分測量結果WT%

表2說明樣品管件化學成分符合美國標準ASTM A213/A213M中TP347H鋼號的化學成分要求。

2.3拉伸試驗

在75-7號管樣的兩個位置和74-5號管樣的三個位置進行拉伸試驗，拉伸試樣標距長度為50 mm，寬度為12.5 mm。測量結果見表3。

表3　樣品管件（SA-213TP347H）拉伸性能測量結果

表3說明樣品管件拉伸性能符合美國標準ASTM A213/A213M中TP347H鋼號的拉伸性能要求。

2.4硬度試驗

對75-7號管樣的四個位置進行HRB洛氏硬度試驗，測試結果見表4。

表4　75-7號管樣（SA-213TP347H）洛氏硬度（HRB）測量結果

表4說明樣品管件的硬度符合美國標準ASTM A213/A213M中TP347H鋼號的硬度要求；同時硬度試驗結果還表明，爆口附近材料硬度較無爆口處材料硬度低，有爆口彎頭處與有爆口直管段硬度無差別，無爆口彎頭處與無爆口直管段硬度無差別。

2.5金相檢驗

分別對75-7號管樣三個位置取得的六個樣品在金相顯微鏡下進行金相檢驗，結果見表5和圖8。

金相檢驗結果表明：

1）6個樣品的金相組織均為單相奧氏體，可見較多孿晶[2]。

2）樣品02-01和樣品02-02的取樣位置在爆口旁彎頭處，其晶粒粗大，奧氏體晶粒度達到3~4級，其余取樣部位樣品的奧氏體晶粒度為6~7級。

3）推測泄漏后，蒸汽循環不好，導致此處管壁溫度急劇升高，奧氏體晶粒長大，材料強度降低[3]。

表575　-7號管樣（SA-213TP347H）金相檢驗結果

2.6掃描電鏡分析

分別對75-7號管樣三個位置取得的六個樣品在Jeol JSM-7001F型掃描電子顯微鏡下進行分析，結果見圖9~圖14。樣品均使用王水浸蝕幾秒鐘，在電鏡下觀察可見，除晶界被腐蝕外，部分晶粒晶內也呈現腐蝕凹坑。樣品在浸蝕劑作用下腐蝕較快和晶粒中的腐蝕痕跡，可能由于晶粒內部位錯密度高導致[5]。

從各個樣品圖b）所示的晶界照片中可見析出物聚集，部分樣品晶界聚集的析出物甚至排列成線狀（如圖9b）、圖14b）所示）。此析出物為合金元素在晶界形成的碳化物，可能由于材料固溶處理不完全導致[4]。析出物的成分將做元素分析進一步確認。

2.7能譜成分分析

根據材料形貌表征結果，使用Oxford IE350型能譜儀對75-7號管樣三個位置取得的六個樣品的晶界析出相進行成分分析，分析結果如圖15和圖16所示。

其他樣品的晶界化合物分析結果與圖15、圖16類似。

能譜成分分析結果表明：

1）對于晶界聚集的兩種形態、大小不同的碳化物進行成分分析得知，顆粒較大的析出相為富鈮的碳化物，顆粒較小的析出相為富鉻的碳化物。

2）由碳化物聚集位置來看，富鉻的碳化物沿晶界析出，而富鈮的碳化物不完全沿晶界析出。

3）依據奧氏體晶間腐蝕機理，沿晶界析出的富鉻碳化物多為Cr23C6或（Cr、Fe）23C6，而鉻在奧氏體中的擴散速率很低，因此，在晶界兩側就會形成貧鉻區，造成晶界鉻元素貧化。由于貧鉻晶界區與晶粒本體鈍化性能有差異，會加劇晶間腐蝕傾向[5]。

3　結語

綜上所述，由管件樣品的宏觀形貌檢查、化學分析、拉伸試驗、硬度試驗、金相組織檢驗、掃描電鏡形貌分析及能譜成分分析結果來看，管樣的化學成分、拉伸性能及硬度結果均符合美國標準ASTM A213/A213M中TP347H鋼號的要求。從管樣的宏觀形貌檢查結果來看，管樣爆口均為鄰近管子發生泄漏后形成的二次爆口，管壁由于蒸汽沖刷或吹損而減薄，非第一爆口位置。

由于檢驗樣品并非第一爆口，故此結論僅為高溫再熱器管泄漏發生的可能原因，并不能確認其為泄漏發生的直接原因。

對樣品進行顯微分析后觀察到，管件樣品晶界存在富鉻碳化物聚集，易產生晶間腐蝕趨勢[5]；同時，晶內位錯密度較高，推測此現象的產生原因為高溫再熱器管固溶處理工藝不當（未進行固溶處理或固溶處理不完全）[4]，建議加強鍋爐受熱面管屏制造過程中的質量控制。

參考文獻：

[1]徐敦民，張慧.高溫再熱管爆管分析[J].華東電力，1990，（12）：35~37.

[2]周翠蘭，周禾豐.電廠鍋爐高溫再熱管失效分析[J].理化檢驗-物理分冊，1998，（06）：24~25.

[3]劉高杰，李希超，任相文.電站高溫再熱器爆管分析[J].理化檢驗-物理分冊，2003，39（7）：361~363.

[4]李超.電站鍋爐用TP347H奧氏體不銹鋼彎管固溶處理研究[A].中西部地區理化檢驗學術年會暨實驗室主任經驗交流會論文集[C].2014.

[5]羅宏，龔敏.奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕[J].腐蝕科學與防護技術，2006，18（5）：357~360.

修回日期：2016-03-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.001

中圖分類號：TM621，TG115

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）02-0001-08

作者簡介：李戈（1985-），男，山東臨沂人，學士，本科，中級工程師，主要從事電站鍋爐燃燒優化調整及金屬材料方面的研究。

收稿日期：2016-01-04

Failure Analysis of TP347H Austenitic Stainless Steel Tube of the 600MW High Temperature Reheater

LI Ge， CHEN Peng-lei， ZHANG Lin
（Huadian Electric Power Research Institute Department of Materials Technology，Hangzhou 310030，China）

Abstract：Two consecutive high temperature reheater leakage incidents occured within a month in a 600MW power plant，and the high temperature reheater tube is made of SA-213TP347H，specifications for phi 51×5 mm.Through the comprehensive analysis of pipe fittings，the results show that the chemical composition，tensile properties and hardness of the materials are in line with the ASTM-A213/A213M about TP347H.Observe the macro morphology of tube samples，the wall of the tube is reduced seriously，and the surface of the tube is obvious.It should be the two time of the leakage of the pipe wall.

Through the microscopic analysis of the pipe elbow，the straight pipe section and the burst，we found that there was a large amount of precipitates in the austenite grain boundary.The element analysis of carbide showed that the educts mainly are chromium rich carbide and niobium rich carbide.From the point of view of the distribution of carbide，chromium rich carbide only exists in austenite grain boundary.Based on the intergranular corrosion mechanism of austenitic stainless steel，The element chromium（mostly Cr23C6or（Cr，Fe）23C6）separates out in the shape of carbide along the grain boundaries，caused by chromium depletion in the grain boundaries.Because of the difference of the passivation performance between the poor chromium grain boundary area and the grain body，it can decrease the electrode potential of the austenite grain boundary and increase the corrosion tendency of the austenitic steel.

Key words：TP347H； high temperature heater tube； leakage； intergranular corrosion；grain boundary chromium depletion