TP347H过热器管爆管原因分析

魏星，唐丽英

（1.神华福建能源有限责任公司，福州350004；2.西安热工研究院有限责任公司，西安710032）

TP347H过热器管爆管原因分析

魏星1，唐丽英2

（1.神华福建能源有限责任公司，福州350004；2.西安热工研究院有限责任公司，西安710032）

通过宏观检查、金相组织、断口形貌、力学性能检验，对某超超临界机组二级过热器TP347H的爆管原因进行了分析，结果表明：发生爆管的原因是材料内部存在显微裂纹及局部偏析缺陷，建议制造厂在管子入厂时加强检验，发现有裂纹的管子及时更换。

TP347H；爆管；显微裂纹；偏析

0 引言

TP347H（1Cr19Ni11Nb）是一种高碳含铌的Cr -Ni奥氏体不锈钢，其价格较为低廉，且具有良好的高温力学性能及耐晶间腐蚀和应力腐蚀性能，在火力发电厂锅炉高温受热面得到了广泛的应用。但是也出现了很多TP347H锅炉管失效案例，其典型失效方式包括弯管后不进行固溶处理而导致晶间腐蚀开裂、锅炉管内壁氧化皮出现大量脱落堆积、加工工艺不当导致开裂、原材料供货时存在裂纹、夹杂物、长期过热导致材质老化损伤等。

某超超临界机组二级过热器TP347H发生爆管导致停炉，失效的管子规格为Φ54.0×8.4 mm，爆口位于二级过热器右数第三屏前数第18根出口段，距下弯头约5 m。二级过热器的设计出口蒸汽温度为498℃，出口金属壁温为550℃，最高金属壁温为574℃。该机组于2007年12月份投运，发生爆管时的累计运行时间为26 000 h。本文通过断口宏观分析和微观分析、管材金相组织分析和力学性能测试，得出二级过热器TP347H管的爆管原因，为防止同类事故发生提供参考。

1 试验方法与标准

对爆管管段取样进行断口微观组织和金相组织分析，并且对管子取样进行拉伸性能和冲击性能测试。用FEI Quanta400型SEM（扫描电子显微镜）和牛津INCA Energy X射线EDS（能谱仪）对断口微观形貌进行分析，用蔡司LSM700型激光共聚焦显微镜对试样金相组织进行观察和分析。

拉伸试验按GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》在MTS880型拉伸试验机上进行，冲击试验按GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》在JBC-300型电子测力冲击试验机上进行，最后综合分析得出爆管原因。

2 试验结果与分析

2.1 宏观分析

收到失效样品时，爆口已被火焰切割从中间分开，两侧各带长约350 mm的管子，宏观形貌如图1所示，图中的1，2为断口金相样品取样位置。爆口为纵向开裂的张开式大爆口，外壁颜色为灰色加土黄色，未见发黑；爆口边缘未被火焰切割部分减薄约2 mm，整个管段未发现胀粗；爆口上外壁有明显的翘皮、分层及凹痕等特征，并且翘皮与凹痕在爆裂前是同一位置。宏观特征表明：爆口无明显过热特征，爆口部位可能存在缺陷。

图1 爆口宏观照片

2.2 金相组织分析

在爆口的翘皮和分层处取金相样品，编号分别为1号、2号。磨面均为横向，距离火焰割口约为15～20 mm，金相组织见图2—图3。由图2（a）可知，爆口部位的翘皮处金相组织为奥氏体，晶粒未见拉长，说明翘皮不是断裂产生的剪切唇，与基体金属之间产生裂纹的时间应在钢管出厂热处理之前。由图2（b）可以看出，1号样品断口附近的组织中存在大量沿晶分布的二次裂纹和孔洞，且走向与断口主方向基本平行。

图2 1号样品断口微观组织

由图3可以看出，2号样品断口靠近外壁分层处组织则为等轴晶，晶粒无拉长特征；在壁厚中部位置，断口附近晶粒由等轴晶变成拉长形态，见图3（a）；靠近内壁处断口附近晶粒则明显拉长，由此可以看出裂纹起源于外壁附近，从外壁向内壁扩展，随着裂纹扩展，未开裂部分承受的应力逐渐增大，当应力超过管材的强度时发生断裂，内壁侧为终断区。

2号样品距离断口10～20 mm处近外壁有2处裂纹缺陷。一处位于管壁内部，距外壁0.3～0.4 mm，长度约为1 mm；另一处自外壁斜向内扩展，长度约为0.8 mm，见图3（b）—（e）；2号样品2条裂纹附近及尖端均有明显的夹杂物偏析，见图3（c）和图3（e）。

图3 2号样品微观组织

以上分析说明，爆口起源于外壁附近的裂纹类缺陷，管段的金相组织无明显老化现象。

2.3 断口SEM分析

用FEI Quanta400型SEM和牛津INCA Energy X射线EPS对断口微观形貌进行了分析，结果如下：1号样品断口和2号样品断口的SEM照片见图4、图5，由图可知：断口靠近外壁处的氧化物很厚，断口原始显微形貌已无法观察到；而靠近内壁处的氧化物较薄，可见断口微观形貌为韧窝，内壁是最终断裂区，裂纹起源于外壁附近，这与金相分析结果一致。

图4 1号样品断口SEM照片

图5 2号样品断口SEM照片

2.4 力学性能检验

在爆口上下管段的爆口侧和爆口对侧分别加工纵向拉伸试样和纵向冲击试样，拉伸试样为原壁厚板状试样，冲击试样尺寸（10×5×55）mm，试验结果见表1。由表可见，样品的抗拉性能符合ASTM A213标准中对TP347H的要求，冲击吸收能量正常，并且爆口侧和爆口对侧性能接近。

表1 力学性能试验结果

3 分析与讨论

综合以上试验分析结果，归纳二级过热器TP347H爆管特点如下：

（1）管子力学性能符合相关标准要求，金相组织无明显老化，无明显过热特征。

（2）断口上的翘皮、凹痕等特征形成过程中未受力，是在管子制造过程中形成的。

（3）材料外壁及近外壁存在微裂纹、NbC（碳化铌）夹杂物集中偏析等缺陷。

综合以上失效特点可以判断，二级过热器TP347H失效的原因是：锅炉管存在制造过程中产生的显微裂纹及局部NbC集中偏析缺陷导致管子早期失效。

TP347H不锈钢含有较高的合金元素，冶炼过程中容易出现元素偏析，爆口管外壁附近裂纹周围存在明显的集中分布的一次碳化物NbC，由于NbC析出物与基体组织的物理性能（如热导率、线膨胀系数）不同，塑性变形能力存在差异，就会阻碍位错的运动，破坏材料变形的连续性。高温下奥氏体的塑性变形能力强，而析出相变形能力较差，析出相阻止晶界迁移，从而在析出相与基体金属的界面处产生应力集中，在管材轧制过程中易产生微裂纹，在运行过程中微裂纹缓慢扩展，从而导致材料的早期失效。

4 结论

二级过热器TP347H的爆管原因是材料内部的显微裂纹及局部偏析缺陷导致的管子早期失效。制造厂在管子入厂检验时应加强检验，发现有裂纹的管子及时更换。

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（本文编辑：徐晗）

Cause Analysis on Tube Burst of TP347H Superheater

WEI Xing1，TANG Liying2
（1.Shenhua（Fujian）Energy Co.，Ltd.，Fuzhou 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，高级工程师，长期从事发电厂生产技术管理工作。