TP347H鍋爐鋼管失效機理研究進展

張 駿，鄭準備，楊占君，孫興新，李夢陽，張建偉

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北電力試驗研究院，西安 710021)

0 引 言

TP347H鋼(國產牌號07Cr18Ni11Nb)是在18Cr-10Ni合金鋼的基礎上添加穩定化元素鈮(質量分數約0.8%)，并經固溶處理(熱軋鋼管固溶處理溫度不低于1 050 ℃，冷拔鋼管固溶處理溫度不低于1 095 ℃)后，具有NbC型第二相析出強化基體以及良好彎曲和焊接性能的粗晶奧氏體耐熱鋼[1-3]。DL/T 715-2015和TSG G0001-2012標準均推薦TP347H鋼用于煙氣側壁溫不高于670 ℃的過熱器和再熱器管。目前，該鋼主要用于亞臨界鍋爐高溫過熱器和再熱器管以及超(超)臨界鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器的低溫段和屏過管段。

TP347H鋼是ASME SA-213標準中的成熟鋼種，具有較高的許用應力和蠕變斷裂強度[4-5]。20世紀80年代初，我國引進美國CE公司的300 MW和600 MW機組，在鍋爐受熱面管上首次使用了TP347H鋼[6]，迄今為止該材料已有40多a的使用歷史，是18Cr-8Ni系奧氏體耐熱鋼中使用較多的材料之一。作者通過對奧氏體耐熱鋼管服役性能以及TP347H鋼管爆管失效案例進行總結和分析，綜述了TP347H鋼制受熱面管在鍋爐服役運行中常見的6種失效機理，包括晶間腐蝕、應力腐蝕開裂、組織老化、氧化腐蝕、原始缺陷和馬氏體轉變，以期為TP347H失效爆管原因分析提供參考依據。通過認識材料失效機制，研究人員能夠采取有針對性的措施以避免或減少失效事故的發生。

1 晶間腐蝕

奧氏體耐熱鋼在火電機組中的服役溫度一般處于其敏化溫度范圍450～800 ℃，在此溫度區間長期服役后晶界處會析出Cr23C6相，造成晶界貧鉻并引發晶間腐蝕。晶間腐蝕是一種局部腐蝕，會弱化晶界，使材料強度和韌性下降、脆性增加，極小的外力作用便會導致材料失效，且不易檢查出來，容易造成設備的突然損壞，危害性較大[7-8]。固溶處理、穩定化處理、降低殘余應力和雜質元素在晶界的含量可以提高奧氏體鋼的抗晶間腐蝕性能[9-10]。固溶處理通過將碳化物重新固溶于奧氏體中，并將此狀態保留至室溫來減小加工所產生的殘余應力，減少晶界處鉻的碳化物的析出，從而降低晶間腐蝕傾向。相關標準均規定了火電機組用奧氏體耐熱鋼管的固溶處理要求。DL/T 939-2016標準要求奧氏體耐熱鋼管冷彎后，當彎曲半徑小于2.5倍外徑時應進行固溶處理。ASME BPVC-I-2017中PG-19條規定：當TP347H鋼管設計壁溫在540～675 ℃時，管外徑D0>89 mm，允許的冷加工應變在15%以下，D0≤89 mm，允許的冷加工應變在20%以下；當設計壁溫高于675 ℃時，允許的冷加工應變在10%以下；超過各允許變形量時均需進行固溶處理，且固溶處理溫度不低于1 095 ℃。

TP347H鋼彎管冷加工后未進行固溶處理或處理工藝不當而發生晶間腐蝕失效的特征[11-18]主要包括：爆口位置多為沿晶開裂；顯微組織中有明顯的孿晶和較多的滑移線，滑移線的存在導致彎管部位的硬度偏高，且內弧側、外弧側、中性面硬度依次減小；彎管抗拉強度和屈服強度較高；沿晶界析出大量富鉻碳化物(多為M23C6)導致晶界貧鉻，在殘余應力、熱應力和蒸汽內壓應力等的共同作用下彎管在晶界貧鉻區發生開裂，并最終導致爆管；爆口大多位于彎管內弧側，這是由于當彎管公稱外徑一定時，內弧側、中性面、外弧側的變形量依次減小，而變形量越大，殘余應力和位錯密度越大，內弧側較大的殘余應力和位錯密度促進了鉻原子的擴散，加快了其與碳元素的結合，加速了晶間腐蝕。在實際分析中主要根據滑移線、晶界析出物和沿晶開裂等特征判斷彎管是否進行了固溶處理，同時結合透射電鏡、能譜分析和貧鉻區陽極極化曲線等[8,19]，測定貧鉻程度和貧鉻區寬度。

關于奧氏體鋼的晶間腐蝕試驗，各標準均未做強制性要求，一般由買賣雙方協商確定。根據GB/T 4334-2008標準中的E方法對服役運行后的TP347H鋼管進行晶間腐蝕試驗發現，無論是國產鋼管還是進口鋼管均會發生彎曲并出現裂紋，如某運行4個月的鋼管實際檢查結果良好，但在晶間腐蝕試驗后產生了晶間裂紋。由此可知，該試驗結果僅能表明鋼管的晶間腐蝕傾向，與其在運行中是否產生晶間腐蝕裂紋無必然聯系，故DL/T 438-2019標準取消了奧氏體不銹鋼管應做晶間腐蝕試驗的規定[20]。

2 應力腐蝕開裂

應力腐蝕開裂是指在應力和腐蝕環境共同作用下引起的開裂，應力一般為遠低于材料屈服強度的拉應力，包括熱應力、冷熱加工引起的殘余應力等；腐蝕介質主要為氯化物水溶液、H2S水溶液和NaOH水溶液等，這些介質的腐蝕性較弱。應力腐蝕開裂是一種滯后性失效，以上應力或腐蝕介質單獨作用都不易使材料失效，但兩者共同作用就會加速材料的失效。應力腐蝕開裂機理較多，目前普遍認可的有陽極溶解機理[21]和氫脆機理[22]。氫脆機理認為金屬在腐蝕介質中首先沿晶界形成脆而薄的鈍化膜，在拉應力作用下，鈍化膜沿著與應力垂直的方向張開，此時腐蝕介質進入裂紋尖端，裸露的金屬再次鈍化，裂紋尖端沿晶界形成新的鈍化膜；該過程不斷重復，裂紋沿晶界擴展，最終導致材料開裂。

TP347H鋼管發生應力腐蝕開裂的特征[23-28]主要包括：裂紋起源于鋼管表面蝕坑處；主裂紋沿晶擴展，并出現分支；裂紋內部和尖端存在富含氯和硫元素的析出物；斷裂形式一般為脆性斷裂，無明顯塑性變形，斷口處有腐蝕產物。TP347H鋼管發生應力腐蝕開裂的應力主要為殘余拉應力，腐蝕介質可能源自酸洗過程中清洗劑帶入的Cl-，以及鍋爐給水系統因水質控制不當引起的S2-和Na+超標。此外，對于在海邊服役的不銹鋼管，海水也會成為其發生應力腐蝕開裂的腐蝕介質。因此，預防TP347H鋼管發生應力腐蝕開裂，一方面要嚴格按照標準要求對其進行固溶處理，消除或降低殘余應力；另一方面要避免產生腐蝕環境，在鍋爐給水和停爐保養過程中嚴格控制水質，保證進入系統的Cl-，S2-和Na+含量符合標準要求，對奧氏體鋼管酸洗前要割管進行應力腐蝕試驗，對已經發生敏化的鋼管，不能使用含有Cl-的清洗劑[29-30]。

3 組織老化

組織老化指材料在高溫運行過程中發生的造成材料力學性能下降的組織變化，是火電廠金屬材料常見失效形式之一。隨著服役時間的延長，奧氏體鋼晶界處析出的第二相數量增多、尺寸增大，組織發生老化，當服役溫度超過材料的最高使用溫度時，組織加速老化。TP347H鋼管因組織老化而失效的形式主要表現[31-34]為：爆口呈脆性斷裂，邊沿粗鈍，附近有縱向裂紋；開裂機理為蠕變開裂，裂紋沿晶擴展；組織中存在蠕變孔洞和蠕變裂紋，晶間腐蝕嚴重，部分三叉晶界處析出塊狀脆性σ相；管壁減薄較少；鋼管向火側的力學性能明顯低于背火側的，甚至低于標準要求下限值。組織老化的失效機理為晶界處析出物的增多、粗化使得晶間腐蝕加劇，晶界弱化，晶界處易形成蠕變空洞，隨著服役時間延長，大量蠕變孔洞擴展、連接形成蠕變裂紋，蠕變裂紋繼續擴展形成宏觀裂紋，最終造成鋼管失效。當服役溫度遠高于材料的最高使用溫度時，晶界處析出σ相，導致材料脆化傾向增大，加速失效過程。

由于材料組織老化的速率與溫度密切相關，因此電廠受熱面管均會加裝溫度測點，以監控運行過程中鋼管的壁溫情況，防止超溫情況發生。然而查閱部分長時過熱鋼管的壁溫曲線數據，均顯示鋼管未超溫，其原因主要包含以下幾個方面：一是爐膛和大包內存在溫度差異，鍋爐大包內的溫度測試值不能真實反映爐膛內鋼管的實際運行壁溫，金屬管壁的當量運行溫度可以利用Laborelec或Aptech公式結合氧化皮厚度進行計算，但大部分是根據經驗，即認為爐膛內鋼管的溫度一般高于大包內30～50 ℃，然而有研究指出，根據受熱面管熱負荷的不同，爐內和外管平均溫差可達88 ℃[35-36]，可見準確監測爐膛內鋼管的實際當量運行溫度較為困難；二是壁溫測點數量較少或未在受熱面管溫度最高的區域設置測溫點，導致測點溫度不是最高溫度；三是測溫點松動、脫焊、安裝不牢固造成測溫不準確，且部分電廠測溫點安裝位置不便于檢查，不能及時對測溫點進行檢修，導致測溫數據不準確。上述情況均可能造成鍋爐受熱面管在運行過程中長期超溫。

4 氧化腐蝕

奧氏體耐熱鋼管內壁在高溫、高壓蒸汽環境下發生氧化時，鉻原子優先與氧反應生成Cr2O3，然后鐵原子與氧反應生成Fe3O4和Fe2O3，奧氏體鋼氧化皮表層的晶粒結構特性(TP347H鋼的線膨脹系數為1.7×10-5～1.9×10-5K-1，氧化皮的線膨脹系數為9.1×10-6K-1)決定了其剝落敏感性高于鐵素體鋼[37]。奧氏體鋼氧化皮的結構主要與材料的原始鉻含量和服役溫度相關。TP347H鋼的鉻質量分數為19%，低于奧氏體鋼能形成連續、穩定Cr2O3保護膜的臨界鉻含量[38-40]，因此在氧化過程中不會形成Cr2O3保護膜；鋼管內表面的鐵原子可直接與氧反應生成結構松散的Fe3O4，氧原子可以通過疏松的氧化膜擴散進入基體內部，使得基體不斷發生氧化，同時Fe3O4還會與Cr2O3反應生成尖晶石化合物(Fe,Cr)3O4。TP347H鋼的服役溫度越高，氧化孕育時間越短，氧化皮生長速率越快，剝落越早，剝落次數越多。

TP347H鋼管發生氧化腐蝕的特征[41-42]包括：未剝落的氧化皮呈銀灰色，已剝落的呈黑褐色顆粒狀和片狀，手捏易分層且呈粉末狀；氧化皮主要組成元素為鐵和氧，基本不含鉻元素；管壁減薄較多，可承受的內壓應力減小，強度不足；剝落的氧化皮易在U型管彎頭部位和出口集箱的節流孔部位堆積、堵塞，使得蒸汽無法正常流通，從而造成過熱爆管。奧氏體鋼氧化皮剝落堵塞已成為鍋爐管失效的第二大主要因素[43-44]。此外，若氧化皮隨著蒸汽介質進入到主蒸汽管道，極易引起主汽門、調門卡澀，無法關閉到位，嚴重威脅機組的安全停運；若進入到汽輪機內部，則會損傷汽輪機噴嘴、葉輪和葉片等關鍵部件；若進入凝汽器，則會污染凝結水品質。可見處理好鋼管氧化腐蝕問題對于機組的安全運行至關重要。為解決這一問題，可以采用抗蒸汽氧化性能較好的材料來替代TP347H鋼。日本住友公司在TP347H鋼的基礎上開發出了細晶TP347FHG鋼，其抗蒸汽氧化性能大幅提高。此外，還應避免鍋爐在啟動、運行、停機以及事故緊急處理期間出現較大負荷波動，防止氧化皮的快速剝落。機組檢修人員需做到逢停必檢，逢堵必處理，根據受熱管道彎頭氧化皮堆積程度及時進行清理，防止氧化皮堵塞管道而發生爆管。TP347H鋼原始晶粒越粗，氧化皮厚度越大[45]，越容易剝落造成管子堵塞而爆管。因此，綜合晶粒度與氧化皮和高溫強度的關系，標準GB/T 5310-2017要求TP347H鋼的晶粒度在47級，同一鋼管兩試樣的最大晶粒級別與最小晶粒級別相差不超過3級；ASME SA-213標準要求TP347H鋼的晶粒度不超過7 級。

5 原始缺陷

TP347H鋼管的主要生產工藝為穿孔或擠壓→軋制→固溶處理。在每道次冷軋前，鋼管均需經退火、酸洗和潤滑等一系列處理，成品鋼管出廠前還需進行表面質量、幾何尺寸、化學成分、顯微組織和室溫力學性能檢驗以及壓扁試驗、擴口試驗和晶間腐蝕試驗等質量檢查。由于生產工序復雜、流程多，且部分檢驗為抽檢，因此部分出廠鋼管不可避免會存在制造缺陷[46-48]。同時鋼管在二次加工成管屏、運輸、安裝以及存放的各個環節均可能會產生缺陷。鋼管服役之前產生的缺陷統稱為原始缺陷，常見的原始缺陷包括裂紋、直道、離層、夾雜物、分層、壓痕、內外折疊等。在TP347H鋼管運行過程中，原始缺陷會發生擴展或者誘發其他缺陷，造成爆管失效，嚴重危害機組的安全運行，相關失效案例如表1所示。

表1 TP347H鋼管常見原始缺陷及產生原因

為避免TP347H鋼管產生原始缺陷，應注意以下幾個方面：(1)對制造、加工、運輸和安裝的各個環節進行嚴格的監督和質量檢查；(2)使用單位需做好過熱器設備的入庫質量驗收，必要時對原始管材進行渦流探傷檢測；(3)嚴格按照有關標準要求存放鋼管，嚴禁與碳鋼或其他合金鋼混放，避免受到鹽、酸及其他化學物質的腐蝕，避免接觸地面，吊裝時應避免直接接觸鋼絲繩，以防止其表面保護膜損壞；(4)更換鋼管時，需做好材料確認和宏觀檢查，確保更換的鋼管合格無缺陷。

6 馬氏體轉變

TP347H鋼為順磁材料，即無磁鋼，然而大部分發生爆管的鋼管經常會帶有磁性或弱磁性。研究人員認為奧氏體鋼產生磁性的原因主要有兩種：一是由晶內和晶界處的析出相引起，二是奧氏體鋼發生馬氏體轉變而產生了磁性。目前的研究結果更傾向于后者，例如某運行71 031 h和96 000 h發生爆管的TP347H鋼管試樣中均存在板條狀馬氏體組織，其沿著原奧氏體晶界形成并向晶內延伸，且試樣均有明顯的磁滯現象，呈弱磁性，磁化強度、剩磁和矯頑力較明顯。而奧氏體鋼的磁滯回線為直線，呈順磁性，無磁滯現象，磁化強度、剩磁和矯頑力均較低。

奧氏體鋼在變形[55-56]、應力腐蝕[57]和高溫應力時效[58-60]下均會產生馬氏體相變，其中形變誘發馬氏體相變的研究目前較多，也比較成熟，高溫應力時效下的馬氏體相變機制研究較少。史志剛等[60]研究了失效S30432奧氏體鋼管的馬氏體組織，認為其形成機制為隨著運行時間的延長，奧氏體鋼中含鉻第二相大量析出導致晶界貧鉻，馬氏體開始轉變溫度隨鉻含量的降低而升高,當貧鉻區的馬氏體轉變溫度升高到室溫以上時，鋼管在冷卻到室溫的過程中形成馬氏體組織。然而該機制未得到一致認可。由于馬氏體組織的存在，S30432鋼的室溫脆化傾向明顯，沖擊斷裂模式為沿著馬氏體組織緊鄰晶界區域的沿晶斷裂[61]。方智等[62]研究認為：馬氏體組織的形成過程是體積膨脹的過程，馬氏體使奧氏體晶粒向兩側推移并在馬氏體晶粒之間形成空洞，造成晶界強度下降；馬氏體的腐蝕電位較奧氏體的低，在含有馬氏體組織的奧氏體鋼中，奧氏體為陰極，馬氏體為陽極，馬氏體優先溶解，導致材料的抗腐蝕能力降低。由于奧氏體鋼無磁性，而管內氧化皮具有強磁性，因此通常采用磁性法來檢測奧氏體鋼管內壁的氧化皮，但磁性馬氏體組織的存在會對氧化皮檢測產生干擾[63]。以上研究表明馬氏體轉變會對奧氏體鋼的服役性能產生不利影響，然而其具體影響機制以及是否會直接導致奧氏體鋼管的失效仍需進一步研究驗證。

7 結束語

服役TP347H奧氏體耐熱鋼管存在晶間腐蝕、應力腐蝕開裂、組織老化、氧化腐蝕、原始缺陷和馬氏體轉變等6種失效機理，然而實際的失效形式可能是由一種或多種因素共同作用導致的。作為火電機組受熱面管，其失效一方面要考慮材料本身的失效特性，另一方面要綜合考慮鋼管的服役工況、結構因素和設計因素等。目前，TP347H鋼組織中馬氏體轉變機理相關研究較少，需進一步深入研究。在火電機組頻繁調峰等新工況下，TP347H鋼管可能會出現新的失效形式，需要進一步分析和積累；此外，通過表面處理提高TP347H鋼管抗蒸汽氧化性能和疲勞性能的理論研究和實際應用也需要進一步開展。TP347H鋼管失效機理研究可以為火電機組鍋爐受熱面管的選材提供更多技術支撐和依據，為服役部件的監督檢驗提供方向和指導，從而降低鍋爐爆管概率。