锅炉再热器 TP347H不锈钢弯管开裂原因分析

锅炉再热器 TP347H不锈钢弯管开裂原因分析

张守平

大唐黄岛发电有限责任公司 山东青岛 266500

摘要：通过宏观检查、化学成分分析、力学性能试验、金相组织检测等手段对某电厂两起TP347H材质锅炉再热器弯管爆管开裂事故的原因进行了分析，结果表明应力腐蚀是开裂的主要原因。

关键词：TP347H钢、再热器、开裂爆管、应力腐蚀

0引言

某电厂2台锅炉为上海锅炉厂制造的SG-2102/25.4-M954型超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、全钢悬吊结构Π型锅炉露天布置。在最大连续蒸发量下工况下，主蒸汽出口温度571℃，出口压力25.4MPa,再热蒸汽出口温度569℃，出口压力4.72MPa。高温再热器沿炉膛宽度方向布置33屏U型管圈，每屏20根，从炉前向炉后方向第1根材质为TP347H,规格φ63.5mm×x4.23mm第2、3根为TP304H,第4-20根为T91。

2015年11月，#1锅炉高温再热器由炉左侧向炉右侧数第10排向火侧第1根下部弯头爆管泄漏。2019年6月，#2锅炉高温再热器由炉左向炉右侧数第11排第1根向火侧下部弯头爆管泄露。#1、#2锅炉分别于2006年、2007年投运，至各自高温再热器发生爆管分别运行6.4万小时，8.4万小时。为查找爆管原因，对两次爆管弯头进行了试验分析，并对两次爆管进行了分析比较。在下文中分别用#1试样、#2试样表示#1、#2锅炉再热器爆管弯头试样。

1 实验分析及其结果

1.1宏观检查

通过检查可以看出#1试样爆管位置位于该弯管外弧处，爆口处管壁缺失窗口呈不规则90°外弧形状，长度约230mm，宽度近半个管径，爆口边缘管壁未见明显减薄。爆口附件管子没有明显的胀粗现象，断口整齐，无塑性变形，内壁有氧化现象。#2试样爆管位置位于该弯管外弧处，爆口处约二分之一管壁缺失，长度约200mm，爆口边缘管壁未见明显减薄,靠近爆口处管壁直径为64.12mm，距离爆口200mm处管壁直径为63.60mm，未见明显胀粗，内壁可见少量氧化皮。

1.2 化学成分分析

对爆管试样进行化学成分分析。结果如表1所示，#1、#2试样化学成分符合 GB/T5310-2017 标准要求。

表1 爆管试样化学成分（质量百分数，wt%）

1.3力学性能分析

对与再热器管爆管弯头相连的直管段取样进行拉伸检测，每根管取1组3个拉伸试样，根据标准GB /T5310-2017要求，屈服强度、抗拉强度和延伸率合格。

表2 机械性能拉伸检测数据

1.4金相组织分析

对试样爆口边缘及附近外表面进行金相组织分析。#1试样爆口边缘显微组织为奥氏体+沿晶界分布的碳化物，有沿晶裂纹，同时晶粒内部也存在大量第二相。到#1试样口附近显微组织为奥氏体＋栾晶，晶粒内部和晶界处有大量析出物。#2试样爆口边缘金相组织为奥氏体和碳化物，有沿晶裂纹。爆口附近外壁金相组织奥氏体和碳化物，晶间和晶粒内有碳化物聚集析出。

4、分析讨论

从以上试验数据可以看出，#1、#2试样爆口外观形貌相同，都呈脆性断裂特征，化学成分检验和力学性能试验合格，金相组织分析爆口边缘有微观沿晶裂纹，爆口边缘及基体金相组织为奥氏体加碳化物，晶间和晶粒内都有大量碳化物析出。分析认为，合金晶界处析出了含有Cr 的碳化物，造成晶界Cr元素贫化。由于贫铬晶界区含铬量达不到耐腐蚀的程度，当材料在具有腐蚀条件的环境下，晶界处首先受到腐蚀。当奥氏体不锈钢在晶间析出富Cr 碳化物时，即具备有敏化条件。因此推断由于贫铬现象的发生，爆管管样外表面在受烟气腐蚀的环境下，有发生晶间腐蚀倾向。弯管TP347H钢材晶界处有明显的碳析出，此处的碳析出容易引起不锈钢的晶间腐蚀，使得晶体间结合力丧失并进一步诱发脆性断裂；弯管段本身存在应力集中，结合材料所使用的环境，内壁500~600度高温，外壁烟气900~1000度高温，温度已经达到普通TP347H材料的敏化温度，会进一步加剧碳在晶界处的偏析。此外烟气含中有SO₂，酸化的气雾可能会诱发材料的氢致开裂，这一原因相对次要，因为断口破坏比较严重，这一原因不能确定，但影响必然存在。

一般情况下，发生应力腐蚀开裂应具备两个条件：一是存在拉伸应力；二是存在特定的腐蚀环境（包括腐蚀介质的成分、浓度和温度等），应力腐蚀系统的拉应力来源有以下几个方面：工作状态下构件所承受的外加载荷；加工、制造、热处理引起的内应力；安装、装配形成的内应力；温差引起的热应力；裂纹内因腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用造成应力集中易于裂纹扩展。试验研究证明拉应力大小影响应力腐蚀开裂历程，并且在一些奥氏体不锈钢—环境体系中存在应力腐蚀门槛值，即当拉应力低于该值时，不会发生应力腐蚀破裂，反之则会发生。但是，在某些时候，这个临界应力值是很低的。在较大的拉应力作用下，金属材料的原子处于不稳定的高能状态，在特定的腐蚀介质作用下，原子容易失去电子而使材料遭受腐蚀，进而发生脆裂，即产生微裂纹；而后由于微裂纹的应力集中效应，使材料的脆裂得以快速扩大，最终导致材料断裂。

引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的常见介质有：各种氯化物或含氯化物的溶液（包括盐水、海水、河水、井水、高温高压水、水蒸汽和海洋性大气等）、氢氧化物、硝酸和硝酸盐、氢氟酸、氟硅酸和含氟离子的水溶液、硫化氢水溶液、硫酸和亚硫酸等，而且腐蚀介质的浓度无需很高。奥氏体不锈钢会在氯化物浓度仅为百万分之几的高温水中发生应力腐蚀开裂。在本案中腐蚀介质主要来源是锅炉燃烧煤粉中的硫化物、氯化物等。

3 结论

TP347H弯管材料受应力和腐蚀介质共同作用而产生脆性破坏。再热器管弯头处存在内应力、结构应力、温度应力等应力；腐蚀介质可能与飞灰、烟气或其他原因有关；再热器管弯头在应力和腐蚀介质的双重作用下，产生应力腐蚀裂纹，长时间运行导致裂纹扩展，从而导致爆管。该电厂在后续的检修中对两台的锅炉高温再热器33排管屏最外圈U型弯管全部进行了更换，以防止再次发生爆管事故。

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