屏式過熱器管泄漏原因分析

華能國際電力股份有限公司汕頭電廠 林志福 西安熱工研究院有限公司 林琳 高磊

0 前言

2016年10 月， 某電廠600MW 超臨界鍋爐屏式過熱器管下彎頭外弧面發生泄漏，為了查明泄漏原因，對泄漏管樣進行試驗分析。自2005年11月投產至本次屏過泄漏停機，該管子累計運行約8.4萬小時。

1 工作內容

取樣管為2根，位置為屏過爐后側管排A側數第4屏，內圈往外圈數第4根（編號為1號）和第6根（泄漏管樣，編號為2號），材質均為TP347H，規格為Φ45×10.8mm，管樣現場照片及割取管樣的照片如圖1（a、b、c）所示。

2 試驗分析

a)宏觀形貌檢查及幾何尺寸測量；

b)金相分析；

c)掃描電鏡和能譜成分分析；

d)硬度試驗；

e)室溫拉伸試驗。

綜合分析：指出其泄漏的原因。

3 試驗結果

3.1 宏觀形貌檢查及幾何尺寸測量

泄漏管樣（A4-6）的宏觀形貌如圖2所示，管樣彎頭外弧面側存在橫向裂紋，裂紋已貫穿，泄漏的介質將鄰近管子吹損泄漏，鄰近管子泄漏的介質又將管樣裂紋附近嚴重吹損；裂紋的斷口表面平整，未見明顯的塑性變形。將裂紋尖端沿管樣縱向剖開，裂紋沿外壁向內壁擴展。

使用游標卡尺對2根管樣直管部位進行壁厚和外徑測量，測量結果如表1所示。結果表明：管樣各部位壁厚未見明顯減薄，外徑未見明顯脹粗。

按照ASME規范第I卷“PG-19奧氏體材料的冷加工成型”，給出公稱管和管子的彎頭的應變計算公式：

圖1 屏過泄漏現場照片、割取管樣宏觀照片及取樣位置示意圖

圖2 泄漏管樣宏觀形貌

式中：r為管子的公稱外半徑；R為管子的公稱彎曲半徑。

根據電廠提供資料，管子的公稱外半徑為5.4mm，公稱彎曲半徑為150mm，可以計算得彎管的應變量為15%。依據ASME規范第I卷中的表PG-19規定，當設計溫度在540～675℃，變形量小于或等于15%時，冷加工后的彎管可不進行固溶處理。

3.2 金相分析

如圖1（c）所示，在管樣的1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3位置截取金相環，在2號管樣的泄漏位置外弧面側的裂紋尖端和對應的內弧面側各截取一小塊金相試樣（依次編號為2-4、2-5），經砂紙粗、細磨和拋光后，用王水溶液對各試樣進行擦蝕，在ZEISS LSM 700型激光共聚焦掃描顯微鏡下對各試樣的顯微組織和內外壁形貌進行觀察分析，依據GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定法》對TP347H鋼進行晶粒度評級。ASME SA-213對TP347H鋼 的晶粒度要求為不細于7級，GB 5310-2008對與TP347H鋼相近牌號的08Cr18Ni11Nb鋼的晶粒度要求為4～7級。依據DL/T 1422-2015《18Cr-8Ni系列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評級標準》對TP347H鋼的顯微組織進行老化評級，標準對奧氏體鋼老化分為5級，1～5級依次為未老化(原始態)、輕度老化、中度老化、重度老化、完全老化。金相分析結果見表2，結果表明：

1-1、1 -2、1-3試樣的顯微組織均為奧氏體+孿晶+第二相析出物，平均晶粒度均為4～5級，老化均為1～2級，即未老化～輕度老化，內壁氧化皮厚度不均勻，且部分位置氧化皮外層已脫落，氧化皮內外層較為完整處的厚度為0.05mm。

2-1、2 -2試樣的顯微組織為奧氏體+孿晶+第二相析出物，內壁附近存在沿壁厚方向厚度約為0.05mm、平均晶粒度為8～9級的細晶區，試樣近內壁位置的平均晶粒度為4～5級，壁厚中部位置的平均晶粒度為6～7級，外壁附近的平均晶粒度為5～6級；老化1～2級，即未老化～輕度老化；內壁氧化皮厚度不均勻，氧化皮外層已全部脫落，最厚處厚度為0.03mm。

2-3試樣的顯微組織為奧氏體+孿晶+第二相析出物，內壁附近存在沿壁厚方向厚度約為0.05mm、平均晶粒度為8～9級的細晶區，試樣近內壁位置的平均晶粒度為4～5級，壁厚中部位置的平均晶粒度為6～7級，外壁附近的平均晶粒度為5～6級，近內壁位置存在少量滑移線，老化1～2級，即未老化～輕度老化；內壁氧化皮厚度不均勻，氧化皮外層已全部脫落，最厚處厚度為0.03mm。

表1 2根管樣直管部位壁厚及外徑測量結果

表2 金相分析結果

表3 管樣能譜成分分析結果（wt%）

2-4試樣裂紋外壁開口較大，內壁開口較小，外壁附近存在較厚的氧化物，由外壁啟裂，并向內壁擴展，主裂紋附近存在沿晶的二次裂紋，主裂紋外壁附近存在較多的滑移線；顯微組織為奧氏體+孿晶+第二相析出物，內壁附近存在沿壁厚方向厚度約為0.05mm、平均晶粒度為8～9級的細晶區，試樣近內壁位置的平均晶粒度為4～5級，壁厚中部位置的平均晶粒度為6～7級，外壁附近的平均晶粒度為5～6級；老化1～2級，即未老化～輕度老化，內壁氧化皮已基本脫落，厚度不足0.01mm。

2-5試樣的顯微組織為奧氏體+孿晶+第二相析出物，內壁附近存在沿壁厚方向厚度約為0.05mm、平均晶粒度為8～9級的細晶區，試樣近內壁位置的平均晶粒度為4～5級，壁厚中部位置的平均晶粒度為6～7級，外壁附近的平均晶粒度為5～6級，近內壁和壁厚中部位置存在少量的滑移線，外壁附近存在較多的滑移線，老化1～2級，即未老化～輕度老化，內壁氧化皮已基本脫落，厚度不足0.01mm。

3.3 掃描電鏡和能譜成分分析

3.3.1 金屬基體成分分析

在FEI Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對各管樣進行能譜成分分析，結果如表3所示。結果表明：管樣的材質與設計材料相符，不存在錯用材料問題。

3.3.2 能譜分析和斷口形貌分析

使用FEI Quanta 400型掃描電鏡對2號管樣裂紋斷口進行SEM形貌觀察，未清洗前的斷口存在較厚的氧化物，使用OXFORD INCA Energy X射線能譜儀對斷口表面存在的氧化物進行成分分析，結果如表4所列。管樣斷口表面氧化物成分除O、Fe、Si、Mn、Cr、Ni等外，還有Na、Ca、K、Mg、S等煤灰成分。

表4 2號管樣斷口未酸洗前氧化物能譜成分結果（wt%）

圖3 2號管樣斷口未酸洗前形貌

圖4 2號管樣斷口酸洗后形貌

使用弱酸對斷口表面進行清洗，清洗后的斷口微觀形貌如圖4所示。斷口形貌呈冰糖狀的沿晶斷裂，且存在沿晶的二次裂紋。

在 F E I Quanta 400型掃描電鏡和OXFORD INCA Energy X射線能譜儀下對2-4號試樣裂紋內的氧化物進行半定量的能譜成分分析，結果如表5、表6所列，微區分析位置如圖13、圖6所示。結果表明：裂紋中的氧化物成分除O、Fe、Si、Cr、Mn、Cr等外，還存在S元素。

3.4 硬度試驗

依據標準GB/T 231.1-2009在HB3000型臺式硬度試驗機上對1-1、1-2、1-3金相環樣進行布氏硬度試驗，硬質合金球直徑為5mm，試驗力為750kfg；由于2-1、2-2、2-3金相環樣，2-4、2-5金相試樣的晶粒度不均勻，依據標準GB/T 4340.1-2009在VH1150型維氏硬度試驗機上對各金相試樣不同的晶粒度位置進行維氏硬度試驗，載荷10kgf，保 荷10s。 在金相環樣上每間隔90°測量1點，共測量4點，硬度試驗結果見表7，結果表明：

圖5 2-4號試樣裂紋外壁附近氧化物成分能譜分析位置

圖6 2-4號試樣裂紋中部氧化物成分能譜分析位置

1-1、1 -2試樣（直管段）的硬度符合標準對TP347H新鋼管的要求，1-3試 樣（彎頭處）的硬度高于1-1、1-2試 樣， 且高于標準對TP347H新鋼管的上限要求。

泄漏管樣各部位外壁附近的硬度均高于同一位置近內壁及壁厚中部處， 2-1、2-2試樣部分位置近外壁、2-3試樣的內弧面側和外弧面側、2-4、2-5的硬度均高于標準對TP347H新鋼管的要求。

3.5 室溫拉伸試驗

在如圖1所示的1-1、1-2、2-1、2-2位置上各加工2個（1個位于外弧面側、另1個位于內弧面側）拉伸試樣，依據標準GB/T 228-2010進行室溫拉伸試驗，拉伸試驗機型號為CMT5205。8個試樣的室溫拉伸試驗結果見表8，結果表明：各試樣的室溫拉伸性能均符合標準對TP347H新鋼管的要求。

表5 2-4號試樣裂紋外壁附近氧化物能譜成分結果（wt%）

表6 2-4號試樣裂紋中部氧化物能譜成分結果（wt%）

表7 硬度試驗結果列表

表8 室溫拉伸試驗結果

4 綜合分析

對屏過泄漏管樣（2號）及其鄰近管樣（1號）進行了宏觀形貌檢查及幾何尺寸測量、金相分析、掃描電鏡和能譜成分分析、硬度試驗和室溫拉伸性能試驗。結果綜述如下：

泄漏管樣在彎頭外弧面側橫向開裂泄漏，裂紋的斷口表面平整，沿外壁向內壁擴展，未見明顯的塑性變形；管樣各部位均未見明顯減薄，外徑未見明顯脹粗。

泄漏管樣裂紋處外壁開口較大，內壁開口較小，靠外壁附近存在較厚的氧化物，由外壁啟裂，并向內壁擴展；主裂紋附近存在沿晶的二次裂紋，裂紋附近存在滑移線；泄漏管樣的顯微組織正常，晶粒度不均勻，晶粒度為4～9級，老化1～2級；鄰近管樣各部位的顯微組織正常，晶粒度均為4～5級，老化1～2級。

管樣的材質與設計材料相符，不存在錯用材料問題；泄漏管管樣斷口表面氧化物成分除O、Fe、Si、Mn、Cr、Ni等外，還有 Na、Ca、K、Mg、S等煤灰成分；弱酸清理掉表面的氧化物后斷口形貌呈冰糖狀的沿晶斷裂，且存在沿晶的二次裂紋。

泄漏管樣各部位外壁附近的硬度高于同一位置近內壁及壁厚中部處，2-1、2-2試樣部分位置近外壁、2-3試樣的內弧面側和外弧面側、2-4、2-5的硬度均高于標準對TP347H新鋼管的要求；鄰近管樣1-1、1-2試樣（直管段）的硬度符合標準對TP347H新鋼管的要求，1-3試樣（彎頭處）的硬度高于1-1、1-2試樣，且高于標準對TP347H新鋼管的上限要求。

兩根管樣各部位的室溫拉伸性能均符合標準對TP347H新鋼管的要求。

經過8.5萬小時的運行，泄漏管樣和鄰近管樣的老化等級為1～2級，室溫拉伸性能符合標準對TP347H新鋼管的要求，管子的材質狀態正常；泄漏管樣各部位的晶粒度不均勻，且直管段硬度差別較大，這說明了管子在制造過程中質量不理想，與鄰近管子相比有差別；泄漏管樣彎管處及裂紋附近存在較多滑移線，直管段則未見滑移線，且泄漏管樣彎管外弧面開裂位置附近的硬度值高達280HV，這說明了管子在冷彎加工后未進行固溶處理，致使在彎管處存在較大的殘余應力；主裂紋附近存在沿晶的二次微裂紋，微裂紋內有氧化物，斷口微觀形貌呈冰糖狀沿晶斷裂，由此可以判斷彎管橫向開裂的性質是沿晶應力腐蝕。

在鍋爐運行期間，TP347H鋼管的服役溫度正好處于其敏化溫度區間（500℃～850℃），在該溫度區間內，C元素的固溶度下降（相對于固溶處理溫度），但仍有較高的遷移能量，晶界能量高，容易滿足新相形核所需的能量條件，晶界附近的C率先與晶界附近的Cr元素結合并向晶界析出，由于C原子尺寸小，遷移速度較Cr原子快很多，所以遠離晶界的C不斷向晶界附近遷移并與Cr結合在晶界附近析出，從而造成晶界附近貧鉻，形成貧鉻區，這就直接導致該部位喪失鈍態（不能形成連續的含Cr氧化膜，正是該氧化膜決定奧氏體不銹鋼的抗氧化、抗腐蝕能力），使晶界弱化。

管子經過冷彎加工后未進行固溶處理，彎管處存在較大的殘余應力，運行期間還存在熱脹應力和結構應力等，在這些較大的綜合應力作用下，晶粒間的貧鉻區就會選擇性的氧化腐蝕，從而形成沿晶裂紋。

綜上所述，材料為TP347H的屏式過熱器彎管泄漏性質是沿晶應力腐蝕，是在晶界貧鉻條件下，受彎管加工殘余應力和熱脹應力、結構應力的綜合作用發生開裂泄漏。

5 結論

屏式過熱器泄漏性質為沿晶應力腐蝕，是在晶界貧鉻條件下，受彎管加工殘余應力和熱脹應力、結構應力的綜合作用發生開裂泄漏。