摘 要:某超超臨界機組屏式過熱器發生爆管,采用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試、金相檢 驗、掃描電鏡和能譜分析等方法研究了爆管原因。結果表明:爆口附近組織發生老化,晶界析出大 塊或長條狀σ相,越靠近爆口處,σ相數量越多,晶粒度也越大,且σ相周邊存在孔洞和微裂紋,最 終導致爆管。
關鍵詞:S30432鋼;過熱器;σ相;超超臨界機組;微裂紋
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)08-0067-04
S30432 鋼 (0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N)是 在 TP304鋼的基礎上添加了質量分數分別為3%和 0.5%的Cu元素和Nb元素,富銅相及含Nb元素的 碳化物、氮化物的析出使其具有明顯高于 TP304H 鋼的高溫蠕變性能,并具有良好的抗氧化性,被廣泛 應用于超臨界和超超臨界屏式過熱器、末級過熱器 及高溫再熱器中。
對火電機組高溫受熱面用S30432鋼的失效研 究較少[1-4],研究內容主要為:焊接接頭、彎頭或直管 部位的爆管或泄漏;原始制造缺陷、工藝執行不到 位、安裝問題及超溫運行等導致的爆管。對析出相 的系統表征和分析較少。
某過熱器系統為4級布置,屏式過熱器蛇形管共 有35片屏,每片屏由19根管 組 成,橫 向 節 距 為 534mm,管子材料為S30432鋼以及S31042鋼。末級 過熱蒸汽出口壓力為26.15MPa,溫度為605℃;再熱 蒸汽出口壓力為4.98,4.78MPa,溫度為603℃。
某屏式過熱器出口集箱側第14根管發生爆管, 爆口位置為出口段彎頭上側 6 m 左右,離頂棚 10m,管排高約16m,材料為 S30432鋼,規格為 ?51mm×9.5mm(外徑×壁厚),鍋爐累計運行約 6×104h,具體爆管位置如圖1所示。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
屏式過熱器爆裂管宏觀形貌如圖2所示,由圖2可知:管道爆破時發生較大的塑性變形,在爆口處彎 折約45°,裂紋沿管道縱向擴展,形成小喇叭狀爆 口,爆 口 總 長 度 為 530 mm,張 口 最 大 處 寬 約 85mm,最大環向周長為240mm;爆口附近未見明 顯脹粗,存在許多與爆口方向平行的縱向裂紋;最大 爆口處管壁略有減薄,邊緣粗鈍,斷口呈脆性開裂特 征,內表面光滑,外表面存在被嚴重沖刷的波紋,最 大張口處未見明顯的氧化皮。
爆管取樣位置如圖2a)所示,蒸汽流向如圖2a) 中箭頭所示。在最大爆口處截取3# 試樣,用掃描電 鏡(SEM)觀察其斷面形貌;在爆口末端的進汽和出 汽方向各取環狀1# 試樣和2# 試樣。
1.2 化學成分分析
采用直讀光譜儀對1# 試樣進行化學成分分析, 每隔120°檢測1點,共檢測3點,結果如表1所示。 由表1可知:其成分符合 ASMESA-213—2019《鍋 爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼 管子》的要求。
1.3 硬度測試
按照GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度 試驗 第1部分:試驗方法》對爆口進汽側環形1# 試 樣和出氣側環形2# 試樣進行維氏硬度測試,載荷為 1.961N,保壓時間為15s;并對析出相和非析出相 進行測試,載荷為0.09807N,保壓時間為15s,結 果如 表 2 所 示。依 據 ASME SA-213—2019 和 DL/T438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》, S30432鋼管的硬度要求不超過230HV,由表2可 知:進汽側和出汽側裂紋附近的硬度均略微超出標準 上限,裂紋背面的硬度均略低于標準上限,進汽測和 出汽側裂紋附近的硬度均高于裂紋背面硬度,進汽側 和出氣側對應位置的硬度基本相當;進汽側和非進汽 側析出相的硬度遠高于非析出相的硬度。
1.4 金相檢驗
采用光學顯微鏡對進汽側2# 試樣及爆口3# 試 樣的不同位置進行觀察。
3# 試樣橫截面微裂紋微觀形貌如圖3所示。
圖3a)為試樣在拋光態下的形貌,裂紋表面開口較 寬,尖端較窄,其形狀蜿蜒曲折,存在多條分支,周圍 存在氧化現象。試樣內部多處存在孔洞和微裂紋, 均分布在晶界處,還有大量白亮色的塊狀或長條狀 析出相,呈串狀沿著晶界分布,孔洞和微裂紋存在于 大塊狀析出相周圍,并沿著晶界擴展,內部微裂紋還 未與外表面裂紋連通[見圖3b)]。
對1# 試樣不同位置進行金相檢驗,結果如圖4 所示。由圖4可知:斷口處有一層氧化皮,爆口邊緣 和爆口附近晶界上析出相粗化且連成串狀,說明該 處發生老化。根據DL/T1422—2015《18Cr-8Ni系 列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評級標準》,爆 口附近組織老化級別為5級,為完全老化,爆口對側 組織老化級別為4.5級,為重度老化。
1# 試樣中沿著晶界都分布著跟3# 試樣一樣的 白亮色塊狀或長條狀析出相,爆口附近白亮色塊狀 析出物最多,尺寸最大,沿著周向白亮色析出物逐漸 變小、變短、變少。奧氏體不銹鋼中常見析出相包括 M23C6、MX和Z相等碳氮化物,以及σ相和 Laves 相等金屬間化合物[5]。在對奧氏體不銹鋼進行常規 處理后,σ相與 Laves相 并 不 常 見,對 于 傳 統 的 304H 鋼,僅在高溫長時間使用后才會出現σ相。依據晶界白亮色析出相的形態、分布及顏色,初步推 斷其為σ相,其平均長度約為4μm,在爆口附近σ 相發生了明顯長大,平均長度約為8μm,且在爆口 附近,白亮色析出相周圍存在孔洞[見圖4b)]。
1.5 SEM 和能譜分析
將1# 試樣置于SEM 下觀察,結果如圖5所示, 由圖5可知:晶界存在很多塊狀、長條狀析出相,晶 粒內彌散析出顆粒狀第二相,大塊狀析出相周圍存 在孔洞,個別塊狀析出相邊界有斷續狀微裂紋。
對圖5中的大塊狀析出相進行能譜分析,結果 如表3所示,可知爆管試樣晶界出現的析出相為 Fe-Cr相,推測可能為σ相,還有富Cu相,與金相檢驗及顯微硬度測試的分析結果一致。
3# 試樣斷口的SEM 形貌如圖6所示,可見斷 口表面有一層氧化皮,斷面粗糙呈顆粒狀,斷口表面 未見韌窩,可判斷為脆性斷裂模式。
2 綜合分析
S30432鋼正常組織為奧氏體加少量第二相,細 小的第二相彌散分布于晶內和晶界。1# 試樣不同 位置及3# 試樣晶界均存在白亮色大塊狀或長條狀 析出物,與正常組織相比,有新相析出,并且明顯粗 化。能譜分析結果顯示:白亮色析出物屬于富 FeCr的σ相。硬度測試結果表明:σ相顯微硬度遠高 于晶內彌散析出物的硬度,試樣基體硬度也在標準 上限的附近。σ相是一種常見的具有四方晶體結構 類型的金屬間化合物,其析出會阻礙變形過程中位 錯的滑移,使硬度增大。
σ相主要沿著晶界或孿晶界析出,三叉晶界處σ 相普遍粗化明顯。爆口進汽側圓環不同位置均存在 σ相,爆口對側白亮色析出相(σ相)的平均長度約為 4μm,而爆口附近的σ析出相發生了明顯長大,平 均長度約為8μm,表明溫度越高,越利于σ相的析 出。在700℃,時效3000h時,S30432鋼中沒有發 現σ相;在650℃、170MPa時,10712h后斷裂的 試樣中也沒有發現σ相;在700 ℃、120 MPa時, 6234h后試樣中的 σ相數量多于 4362h 后試 樣[6-8],也進一步說明σ相的析出熟化與溫度、時間 相關,最快析出溫度為750~870℃ [9],試樣在一段時間內析出大量的σ相,并快速長大,由此推斷爆管 管段實際運行溫度高于750℃。
爆管爆口處沿晶界粗化的σ相析出物周圍形成 了孔洞和裂紋,當裂紋發展到一定程度時,S30432 鋼的持久塑性和強度大幅降低,最終在內壓力的作 用下發生爆管。
3 結論
(1)屏式過熱器爆口附近產生大量裂紋和孔 洞,硬度偏高,存在老化現象,晶界析出大塊或長條 狀σ相,越靠近爆口處,σ相越多、越粗,由此推斷: 爆管管段在一段時間內的運行溫度高于750℃。
(2)爆管環形試樣整圈都存在σ相,爆口位置σ 相尺寸明顯大于對側,平均長度約為8μm,溫度越 高,越利于σ相的析出、粗化。
(3)σ相周邊存在孔洞和微裂紋,表明該屏式過 熱器過熱后σ相大量析出和粗化,導致裂紋萌生,最 后發生爆管。
參考文獻:
[1] 喬立捷,徐衛仙,白佳,等.超超臨界鍋爐Super304H過 熱器失效分析[J].熱加工工藝,2017,46(2):259-262.
[2] 楊平,張健.630MW 超臨界鍋爐高溫過熱器管爆管 原因[J].理化檢驗(物理分冊),2021,57(5):66-70.
[3] 劉天佐,郭凱旋,武芯羽,等.電站 TP304H 鋼末級過 熱器爆管原因分析[J].山東電力技術,2020,47(8): 77-80.
[4] 劉廣興,龔巍,劉新星.某超超臨界機組鍋爐末級過熱 器鋼管泄漏原因分析[J].理化檢驗(物理分冊), 2020,56(1):38-40.
[5] 劉寶勝,李國棟,衛英慧.奧氏體不銹鋼中σ相析出及 其對性能影響的研究進展[J].鋼鐵研究學報,2014, 26(1):1-6.
[6] DUJF,LIANGJ,ZHAO H C,etal.Researchon microstructureand mechanicalpropertyofS30432 supreheaterpipeagedat700℃ [J].SteelResearch International,2012,83(11):1095-1102.
[7] 胡國棟,馮銳,李書志,等.奧氏體耐熱不銹鋼中析出 相研究進展[J].熱加工工藝,2022,51(18):6-11,17.
[8] ISEDAA,OKADA H,SEMBA H,etal.Longterm creeppropertiesandmicrostructureofSUPER304H, TP347HFGandHR3CforA-USCboilers[J].Energy Materials,2007,2(4):199-206.
[9] 唐波,朱麗慧,王起江.S30432鋼700℃持久σ相的 析出及其對性能的影響[J].動力工程學報,2014,34 (10):827-832.