電站燃氣輪機TCA換熱鰭片管泄漏原因分析

劉磊，姚祥宏，馮冠軍，尚建路，后小軍

1.深圳能源集團股份有限公司東部電廠 廣東深圳 518120

2.蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

深圳能源集團股份有限公司東部電廠3臺三菱燃氣輪機組分別于2006－2007年相繼投入運行，透平進口溫度1350℃，出力234.2MW。型號M701F3重型；壓氣機級數17；壓氣機壓比17；透平級數4。三菱燃氣輪機的透平冷卻空氣系統（Turbine Cooling Air，TCA）執行兩個基本功能：①給暴露在煙氣通道、溫度高于工作金屬溫度極限的部件提供直接冷卻。②給透平環境控制提供服務。因此，TCA冷卻效果直接影響著燃氣輪機透平的安全運行和燃氣輪機出力[1]。

東部電廠燃氣輪機TCA換熱鰭片管于2013－2014年度進行改造，改造后的鰭片管設計尺寸為φ25.4mm×1.829mm，材質為TP304H（ASME SA 249）。其運行情況：設計進口最大溫度485℃，出口溫度為340℃，設計壓力1.86MPa。

1#機組在2019年5月發現TCA換熱管出現泄漏情況。為分析泄漏原因，查閱TCA現場安裝制造、運行記錄，同時對1#機組TCA鰭片管開裂位置及周邊進行宏觀檢查、理化檢驗分析，以確定泄漏原因[2，3]。

2 宏觀與滲透檢測

如圖1所示，對泄漏管口進行宏觀檢測，發現管孔附近存在明顯的裂紋。斷口表面齊整，呈現金屬光澤，符合脆性斷裂特征形貌，部分斷口已被氧化，呈現灰色狀態。將鰭片管剖開后，內部存在嚴重的點腐蝕，存在較多的腐蝕坑，呈現黑色狀態。將內壁打磨清理后，進行表面滲透檢測，內壁布滿細小裂紋，裂紋沿環向分布，長度不一，少量位置已經裂穿。

圖1 泄漏位置裂紋形貌、內壁宏觀情況

3 理化檢驗

3.1 化學成分分析

對泄漏位置附近管口取樣進行化學成分分析，根據ASME SA 249 規定，TP304H鋼主要化學元素含量檢測結果見表1，符合標準要求。

表1 TP304H鋼化學成分（質量分數） （%）

3.2 微觀組織觀察

對內壁環向裂紋較多、無表面泄漏現象縱向截面進行金相取樣并觀察，微觀組織形貌如圖2所示，微觀組織為奧氏體，晶內可見孿晶亞結構，晶界清晰，無老化現象，晶粒度為4～5級，符合ASME SA 249標準（≤7級）。

由圖2a可見，靠內壁側裂紋主要沿晶界擴展，為晶間裂紋，裂紋附近存在晶粒剝離現象；裂紋向外壁側過渡，由晶間裂紋向穿晶裂紋過渡，過渡至靠外壁側，穿晶裂紋呈樹枝狀形態，分叉較多；由圖2b可見，靠近鰭片位置已經裂穿，另外一處裂紋也接近裂穿。

圖2 裂紋微觀組織形貌

3.3 掃描電鏡觀察

對泄漏斷口位置取樣進行掃描電鏡觀察，如圖3所示。其中，圖3a為典型的脆性沿晶斷口，幾乎沒有塑性變形痕跡，晶界表面較為光滑，二次裂紋沿晶擴展；圖3b為沿晶斷口至穿晶斷口過渡交界處，伴隨著解理臺階的產生。

圖3 泄漏斷口位置掃描電鏡觀察

如圖4a所示，在單顆晶粒上存在少量析出相或氧化物；圖4b為沿晶斷口加上部分解理斷口，解理斷口為“河流”花樣；圖4c微觀形貌特征為“扇形”花樣加“河流”花樣解理斷口，且圖中存在“扇柄”，呈放射狀向前擴展；圖4d微觀形貌特征為“人字條紋”花樣加“河流”花樣解理斷口。

圖4 斷口形貌

對內壁環向裂紋較多及無表面泄漏現象的縱向截面試樣進行電鏡觀察（拋光態），發現靠內壁側裂紋晶界處存在腐蝕坑、氧化產物，有晶粒剝離現象，在內壁側發現局部點腐蝕區域，如圖5所示。

圖5 沿晶裂紋位置電鏡觀察

3.4 能譜分析

對泄漏位置斷口、內壁環向裂紋較多及無表面泄漏現象的縱向截面試樣（拋光態）均進行能譜掃描分析。如圖6所示，對泄漏位置靠內壁側沿晶斷口進行局部面掃描（位置1），發現位置1存在Cl元素，wCl=0.13%；同時Cr、Ni含量均低于標準要求，wO=12.27%。

圖6 沿晶斷口局部面掃描

表2 能譜分析結果（質量分數） （%）

對縱向截面試樣沿晶裂紋位置（拋光態）進行能譜線掃描分析（見圖7），在晶界處C、Cr、O含量均陡然升高。

圖7 沿晶裂紋線掃描

4 分析與討論

通過理化檢驗、掃描電鏡分析，可得出以下結論。

1）試樣化學成分符合ASME SA 249要求。

2）微觀組織為奧氏體+孿晶，晶界明顯清晰，無老化現象，晶粒度為4～5級，符合ASME SA 249要求；裂紋主要沿晶界擴展，裂紋附近存在晶粒剝離現象；裂紋向外壁側過渡，由晶間裂紋向穿晶裂紋過渡，過渡至靠外壁側，穿晶裂紋呈樹枝分叉狀。

3）內壁側為脆性冰糖狀沿晶裂紋斷口，晶界上有細小裂紋，為典型晶間型應力腐蝕斷口，并且逐漸過渡至解理斷口；在晶界處存在腐蝕坑、氧化產物，有晶粒剝離的現象，在內壁邊緣，發現局部點腐蝕區域[4]。

4）沿晶、穿晶斷口、晶界處均存在Cl元素，Cr、Ni含量均低于標準要求；在晶界處C、Cr、O元素含量均陡然升高，C、Cr元素逐漸向晶界聚集，形成Cr23C6并且沉淀，在晶界析出[5-7]。

在斷口、晶界處均發現Cl元素的存在（符合TCA換熱管道汽水介質），TP304H奧氏體不銹鋼對Cl元素具有應力腐蝕的敏感性，TCA換熱鰭片管在運行過程中，受到拉應力的作用，逐漸造成TP304H鰭片管的應力腐蝕，最終脆性斷裂（也叫氯脆）。

5 結束語

鰭片管泄漏原因是長期受拉應力作用，在潮濕含氯離子的腐蝕環境下，逐步造成TCA鰭片管內壁應力腐蝕，形成脆性斷裂。建議對TCA換熱鰭片管模塊做進一步檢查，如內窺鏡檢查其他管壁內部是否存在腐蝕、裂紋形貌，割管取樣抽查其他鰭片管的微觀組織與性能。