350 MW机组锅炉分隔屏过热器夹屏管损伤原因分析

2020-10-27吉建兵王天鹏孙铭楷

东北电力技术 2020年9期

吉建兵，王天鹏，孙铭楷

(1.辽宁东方发电有限公司，辽宁抚顺 113007；2．东北电力科学研究院有限公司，辽宁沈阳 110006)

1 过热器夹屏管损伤概况

发生夹屏管泄漏的锅炉由哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产，锅炉型号为HG-1165/17.45-YM1。分隔屏过热器共4个联箱，每个联箱6屏，每屏9根管，共216根管，分隔屏过热器示意图如图1所示，发生失效损伤的夹屏管段设计材质为TP304H，规格为Φ51×7 mm。

发生泄漏经过：机组A级检修后，按规程要求锅炉进行水压试验[1-2]，水压试验进行中，在保持压力进行全面检查阶段，发现分隔屏过热器管发生漏水现象。经检查发现分隔屏夹屏管弯管部位发生泄漏(泄漏部位如图2所示)。为确保机组长期安全运行，对相同位置的分隔屏夹屏管弯管进行100%UT探伤，抽查出3根有代表性的存在损伤缺陷的样管进行分析，查找出损伤原因，进行彻底处理，保证安全[3]。

2 试验检测分析

试验、检查、检测项目包括宏观形貌检查、化学成分分析、维氏硬度试验、金相组织检验及扫描电镜分析。

2.1 宏观形貌分析

对3根分隔屏过热器夹屏样管进行全面宏观检查，宏观形貌如图3所示。其中1号试样为同一屏发生泄漏一侧的夹屏管取样管，2号试样为与1号试样相同屏夹屏管上的对侧弯头，3号试样是另一屏夹屏管的弯头。宏观检查可见3根分隔屏过热器夹屏管没有明显的变形、胀粗、鼓包、减薄等现象。分别对1号、2号、3号过热器分隔屏过热器夹屏管外表面进行观察，可以发现1号分隔屏取样管背弧区域有一处长约10 mm的横向裂纹存在，如图4所示。2号分隔屏取样管背弧位置完好，没有发现横向裂纹存在，如图5所示。3号过热器分隔屏取样管背弧位置同样完好，但将其沿轴向剖开后可以在内壁发现几处细小的横向裂纹，如图6红色虚线区域所示。

2.2 化学成分分析

对夹屏管取样进行光谱检验，试验标准为GB/T 11170—2008 《不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)》，仪器为DV-6型定量直读光谱仪。

样品成分分析结果见表1，其中一并列出ASTM A213/A213M对TP304H不锈钢的标准值。

表1 化学成分分析结果

比较可见，所检夹屏管取样管的成分符合ASTM A213/A213M对TP304H钢的要求。

2.3 维氏硬度试验

分别在3根分隔屏过热器管的弯管上取样，对每根试样的弯管内、外弧进行维氏硬度试验，弯管背弧测量点位于裂纹附近。试验标准为GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》，试验设备：402MVD型显微维氏硬度计。

试验结果列入表2中，ASTM A213/A213M中规定TP304H 的维氏硬度值应不大于200 HV，检测结果显示，弯管内、外弧硬度均超过标准要求。

表2 维氏硬度试验结果

2.4 金相检验

将1号试样垂直于裂纹方向取样进行金相检验，组织形态见图7。图7(a) (b)分别为贯穿裂纹位置区域管外壁及内壁金相组织，由图可以看出该截面上除完全开裂的裂纹外，还存在着大量的微裂纹。裂纹均为沿晶扩展，裂纹尖端有分支，呈树枝状，并伴有晶粒脱落现象。除上述贯穿裂纹外，内弧管壁上距离贯穿裂纹8 mm的位置还可见其他微裂纹区域，其形貌如图7(c)所示，裂纹同样为沿晶扩展。此外，在夹屏管内壁距离贯穿裂纹一定距离的其他区域同样可以发现如图7(c)的微裂纹区域，而在夹屏管外壁则没有发现微裂纹区的存在。1号试样基体组织如图7(d)所示，可见基体组织为奥氏体，奥氏体晶界上有少量第二相存在。

2号试样纵向剖开取样进行金相检验，组织形态如图8所示。虽然该取样管并没有贯穿裂纹存在，但在其内壁同样可以发现与1号试样相似的微裂纹区域，裂纹为沿晶扩展，裂纹尖端呈树枝状分支，并伴有晶粒脱落现象。2号试样基体组织同样为奥氏体，奥氏体晶界上有少量第二相存在。

对3号试样纵向剖开取样进行金相检验，组织形态如图9所示。由图9(a)可见内壁沿厚度方向有一深度为200 μm的微裂纹，裂纹为沿晶扩展。3号试样基体组织同样为奥氏体，奥氏体晶界上有些许第二相存在，如图9(b)所示。

2.5 扫描电镜分析

在扫描电镜下观察分隔屏过热器夹屏管裂纹形貌，并对裂纹内的腐蚀产物进行能谱分析，结果如图10和表3所示。可见微裂纹内的腐蚀产物存在Cl、O及S等有害元素，尤其Cl元素是导致奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀的主要元素。

表3 能谱分析结果 wt%

3 原因分析

TP304H奥氏体耐热钢按制造工艺进行热处理后，在室温下组织保持奥氏体形态，晶内可见孪晶亚结构，属无磁性钢。实际工程应用中使用的是进行了固溶化处理的TP304H奥氏体耐热钢。固溶化热处理结果产生了一种不平衡的过饱和状态，C元素和Cr元素均过饱和地固溶在奥氏体中。奥氏体耐热钢在400～850 ℃范围内加热时，从过饱和的奥氏体固溶体中析出主要是Cr23C6的碳化物。尤其该组织在高温、高压下长期运行后，TP304H奥氏体耐热钢的组织将会发生老化，性能下降，金相组织为奥氏体和碳化物，碳化物沿晶界析出。而本次夹屏管取样管的微观组织即为该类组织。虽然其成分符合ASTM A213/A213M对TP304H钢的要求，但其维氏硬度均高于标准要求[4]。

另外，由以上检验结果可知，发生泄漏区域裂纹均为沿晶扩展，裂纹尖端有分支，呈树枝状，并伴有晶粒脱落现象，具有典型的应力腐蚀开裂裂纹特征。在夹屏管内壁距离贯穿裂纹一定距离的其他区域同样存在微裂纹区域，而在夹屏管外壁则没有发现微裂纹区的存在，这说明裂纹起源于夹屏管内壁。通过对其中一处裂纹内部腐蚀产物进行能谱分析可知其微裂纹中存在Cl及S等腐蚀元素[5]。而TP304H奥氏体型不锈钢在Cl-等环境下对应力腐蚀极为敏感，因此可判断本次过热器分隔屏失效的主要原因是应力腐蚀所致。

部件发生应力腐蚀开裂失效的条件包括特定成分的金属材料、特定的运行环境和足够大的拉应力。

铬镍奥氏体不锈钢特殊的晶格结构决定了其对Cl-等十分敏感，易发生应力腐蚀开裂，这符合发生应力腐蚀开裂的第1个条件。

奥氏体不锈钢的晶界腐蚀在400～850 ℃敏化温度范围内容易发生，当然也取决于其在腐蚀介质中暴露的时间，而发生泄漏的分隔屏过热器夹屏管的运行环境温度正好在此温度范围内，且已经过长时间高温运行[6]。奥氏体钢沿晶应力腐蚀开裂的另一个前提条件是其必须受到敏感、有害介质的侵蚀。根据以上分析结果知道，裂纹起源于夹屏管内壁，内壁蒸汽侧腐蚀介质的存在可能由于运行中存在微量C1-或在机组停机和启动过程中水质溶解氧增加。有文献资料表明，奥氏体钢在0.2×10-6(体积分数)溶解氧的高温水即能出现沿晶应力腐蚀断裂，正常运转的水环境也能导致沿晶应力腐蚀开裂，这符合发生应力腐蚀开裂的第2个条件。

应力是引发管材发生应力腐蚀开裂破坏的另一重要因素，锅炉过热器管在热态运行过程中除了自重影响外，一般受到管内蒸汽压力及热应力作用。炉内过热器在稳态工况下温度沿管截面径向由内向外依次升高，管截面径向应力在管内蒸汽压力影响下表现为压应力，而周向应力表现为拉应力，且都是沿径向由内向外逐渐减少。轴向应力有一个由拉应力到压应力转变的过程，等效应力始终表现为拉应力，由内向外呈现先下降后略有上升的趋势。而过热器夹屏管弯管还会受到附加周向应力，以及壁厚不均等形状因素引起的应力集中。此外向火侧受热强度大，热应变也较大，且夹屏管弯管外弧面壁厚一般容易减薄，且存在相应残余应力，在运行中细管所受应力比粗管要大些、因而更易产生应力腐蚀，这符合发生应力腐蚀开裂的第3个条件。

另外，显微硬度结果显示，弯管内、外弧的硬度均超过标准要求，弯头部位存在加工硬化。这会造成奥氏体晶界的残余应力积聚或在使用温度下碳化物沿晶析出和元素的贫化，从而增加了弯管晶界应力腐蚀的敏感性，这也可能是引起分隔屏过热器开裂的原因之一。

综上所述，分隔屏过热器夹屏管经过冷加工成型，硬度超标，材料腐蚀敏感性増加；弯管内部的水或蒸汽中存在微量Cl-或溶解氧，运行环境恶劣。在长期高温运行过程中，除受到直管段同样的应力外，还受到附加周向应力以及结构应力等作用，而且向火侧受热集中、热应力较大，管内壁应力较大，从而造成应力腐蚀，夹屏管弯头外侧的蒸汽侧应力腐蚀速度较快，是造成泄漏的主要原因。

综上所述，试验检测结论如下。

a.发生泄漏夹屏管取样管的成分符合ASTM A213/A213M对TP304H钢的要求。

b.分隔屏过热器夹屏管弯管内外弧的维氏硬度均高于标准要求。

c.发生泄漏区域裂纹为沿晶扩展，裂纹尖端有分支，呈树枝状，并伴有晶粒脱落现象，裂纹内部腐蚀产物中存在腐蚀元素，具有典型的应力腐蚀开裂特征。

d.在高温运行敏化温度下，冷加工成型的TP304H过热器分隔屏过热器夹屏管腐蚀敏感性增加，其内部存在腐蚀介质，长期运行过程中加以受到各种应力的影响，从而发生应力腐蚀开裂。