奧氏體不銹鋼油管開裂原因分析

徐衛(wèi)仙，喬立捷，鐘艷博

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030； 2.遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引 言

某電廠1號汽輪機是哈爾濱汽輪機廠引進美國WH公司的制造技術(shù)設(shè)計制造的N315-16.7/537/537型亞臨界蒸汽參數(shù)、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽凝汽式汽輪機。汽輪機采用高、中壓汽缸合缸、內(nèi)缸對向布置；低壓缸采用雙分流布置。汽輪機的通流部分由高、中、低壓三部分組成，共36級，其中高中壓缸為雙層缸，低壓部分為三層雙分流式。高壓部分有1個調(diào)節(jié)級和12個反動級，中壓部分有9個反動級，低壓部分為雙分流式，每一分流有7個反動級。該機組于1993年3月投產(chǎn)，機組累計運行時間約17萬小時。2020年5月26日，1號機2號高調(diào)門回油管路活接頭漏油，在停機水壓查漏檢查時，發(fā)現(xiàn)回油管路斷裂位置為靠近2號高調(diào)門油動機集成塊回油管路接頭處，臨近焊口熱影響區(qū)。該管段上次大修時更換，至斷裂時運行時間約42 888 h。裂紋長度約60 mm，該EH油管材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，規(guī)格為Φ32×3 mm。

通過對斷裂EH油管的宏觀形貌、材質(zhì)、硬度、顯微組織和掃描電鏡、EDS等分析，為其找到斷裂原因，并提出合理的建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌分析

圖1為1號機EH油管開裂管外表面的宏觀形貌，開裂處位于油管焊接接頭處，靠近焊口熱影響區(qū)。由宏觀形貌可知，斷口起源于熱影響區(qū)，沿環(huán)向位置擴展，開裂總長約60 mm。開裂位置管壁無明顯減薄、無脹粗。斷面較平齊，無明顯塑性變形特征，且已裂透。

圖1 EH油管開裂處的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of cracks in EH tubing

1.2 材質(zhì)分析

對水冷壁開裂管進行材質(zhì)檢測，結(jié)果見表1。分析結(jié)果符合GB 4237—1992《不銹鋼熱軋鋼板》中表2對1Cr18NiTi鋼的材質(zhì)要求。

1.3 硬度分析

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對1Cr18NiTi鋼開裂位置母材、熱影響區(qū)、焊縫分別進行維氏硬度試驗，結(jié)果見表2。EH油管開裂位置母材維氏硬度符合GB 4237—1992中表12要求。

1.4 顯微組織分析

對EH油管開裂位置橫截面、縱截面截取試樣，使用氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下對開裂處進行金相組織觀察，顯微組織見圖2。

表1 EH油管的化學(xué)元素分析結(jié)果Table 1 Chemical element analysis results of EH tubing 單位：%

表2 開裂位置硬度檢測結(jié)果Table 2 Hardness test results of cracking position

由圖2(a)可知，EH油管開裂位置內(nèi)壁的顯微組織為奧氏體，老化級別3級，油管無超溫過熱現(xiàn)象，裂紋為沿晶+穿晶混合裂紋，右側(cè)裂紋無分叉，懷疑與疲勞有關(guān)。由圖2(b)可知，組織中存在嚴重帶狀缺陷，最長達到900 μm，懷疑與原材料缺陷有關(guān)，后續(xù)采用能譜進一步分析。

圖2 EH油管開裂位置的顯微組織Fig.2 The microstructure of the cracked position of EH tubing

1.5 掃描電鏡、EDS

采用掃描電鏡和能譜儀對開裂位置形貌和開裂位置縱截面缺陷進行了分析，結(jié)果如表3及圖3～4所示。

表3 夾雜物能譜分析結(jié)果Table 3 Inclusion energy spectrum analysis results

由圖3可知，開裂位置為熱影響區(qū)，開裂形貌為脆性斷裂。由圖3(a)可知，該開裂為多源擴展開裂。由圖3(b)可知，斷口上觀察到連續(xù)的、比較柔和的疲勞輝紋。由圖3(c)、3(d)可知，裂紋源可見孔洞和沿原奧氏體晶界的微裂紋，可見熱影響區(qū)存在焊接缺陷。

由圖4可知，開裂位置縱截面存在夾雜物。由表3可知，夾雜物主要元素為C、O、S、Ti。結(jié)合顯微組織分析，根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，嚴重帶狀缺陷為A類非金屬夾雜物，評為3級，不符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準不大于2.5級別的要求。

圖3 EH油管開裂位置形貌Fig.3 EH tubing crack location morphology

圖4 EH油管開裂位置縱截面Fig.4 Longitudinal section of EH tubing crack position

2 分析與討論

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)EH油管開裂位置靠近熱影響區(qū)。宏觀檢查開裂位置，顯示裂紋起源于熱影響區(qū)。金相組織中存在沿晶+穿晶混合裂紋，裂紋無分叉，為疲勞裂紋特征；金相組織存在嚴重帶狀夾雜物，降低材料的表面成型質(zhì)量，并降低韌性和抗疲勞性能，降低材質(zhì)質(zhì)量。奧氏體不銹鋼管制造工藝一般為穿孔冷軋成型，鋼管內(nèi)表面為原鑄坯的芯部區(qū)域，芯部夾雜物超標會降低冷軋后鋼管內(nèi)表面質(zhì)量[1-3]。掃描電鏡和能譜分析中，該開裂為多源擴展開裂，且裂紋源可見孔洞和沿原奧氏體晶界的微裂紋，斷口上有疲勞輝紋。開裂位置縱截面存在夾雜物，且超標[4-6]。

如前所述，此次開裂原因為EH油管熱影響區(qū)存在孔洞和微裂紋，且顯微組織存在嚴重帶狀夾雜物超標，在實際運行工況下，振動導(dǎo)致高周疲勞，首先在熱影響區(qū)開裂。

3 結(jié) 語

1)EH油管帶狀夾雜物嚴重超標，且?guī)罘墙饘賷A雜物破壞了基體組織的連續(xù)性并降低韌性和抗疲勞性能，降低材質(zhì)質(zhì)量。

2)EH油管在高周振動運行環(huán)境下，易在焊接缺陷的熱影響區(qū)優(yōu)先開裂，并逐漸擴展。

3)建議加強原材料入廠質(zhì)量檢驗工作，加強檢修期間焊縫位置的無損檢測。