主蒸汽管道差壓變送器取樣管失效分析

駱春泉 黃建林 熊 曉

（廣東電研鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司 廣州 510525）

2022 年6 月,某火力發電廠在運行期間主蒸汽管道流量計的取樣管突然開裂,造成泄漏事故,見圖1。已知該取樣管的設計材質為304 不銹鋼,規格為φ16 mm×3 mm,額定工作溫度為573 ℃,壓力為12.96 MPa,工作介質為蒸汽,開始服役時間為2019年1 月16 日。為了保障機組安全穩定運行,本文通過對此主蒸汽管道流量計的取樣管的開裂原因進行探究,通過多種試驗方法探明了取樣管失效的原因,并提出了相應的措施以避免類似事件的再次發生。

圖1 取樣管服役位置

該火力發電廠的主蒸汽管道流量計的差壓變送器取樣管的服役位置見圖1,圖中的試樣#1 即為送檢的開裂失效的取樣管。一次門前的差壓變送器取樣管與主蒸汽管道直接連通,其內蒸汽不流動,可以認為其服役的溫度和壓力與主蒸汽管道一致。

1 試樣宏觀檢驗

受檢試樣的宏觀形貌見圖2,可以看到受檢試樣的外表面光滑,呈金屬光澤,存在1 條橫向的穿透性裂紋,長約半圈,裂紋斷口未見明顯的塑性變形,為脆性斷裂,斷口表面沒有金屬光澤,表面粗糙且不平整,在穿透性裂紋兩端還存在多條橫向裂紋,管壁未見明顯減薄,管徑未見明顯的脹粗現象。

圖2 受檢試樣宏觀形貌

2 化學成分分析

對受檢試樣圖3 所示位置截取試樣,采用M5000F臺式全譜直讀光譜儀對受檢試樣的化學成分進行檢測分析。化學成分分析的試驗結果見表1,表中同時列出了GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中07Cr19Ni10 不銹鋼（與304 不銹鋼相當的國產鋼牌號）標準成分以做對比。結果表明：受檢試樣各元素的含量均在標準規定的范圍內,也就是說該主蒸汽管道流量計的差壓變送器取樣管的化學成分與設計相符。

表1 受檢試樣的化學成分

圖3 受檢試樣化學成分分析檢驗位置

3 金相分析

對受檢試樣圖4（a)所示位置截取試樣,管子縱截面鑲嵌后,依次經過#120 砂紙粗磨,#240、#320、#400、#600、#800、#1000、#1200 砂紙細磨之后,再進行機械拋光處理,使用無水乙醇清洗干凈試樣表面,干燥后采用Leica-DMI3000 金相顯微鏡對管子縱向截面進行觀察,可以發現：受檢試樣的斷口處裂紋呈龜裂狀,開口附近未見明顯變形,近表面存在1 處裂紋,管子外壁存在1 處由外向內擴展的裂紋及多處近表面裂紋,見圖4（b)、圖4（c) 、圖4（d)。受檢試樣管子內壁表面均未見裂紋,以上均說明裂紋是從管子外表面向內部擴展的。

圖4 受檢試樣取樣位置與拋光態的顯微組織形貌

使用王水（濃硝酸與濃鹽酸的體積比=1：3）對拋光態金相試樣進行浸蝕,并根據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》對浸蝕態試樣的金相組織進行晶粒度等級評定。圖5（a)為受檢試樣經王水浸蝕10 s 后的金相組織,基體母材的金相組織為奧氏體,通過與標準評級圖比較后,評定晶粒度等級為6.5 級,符合GB/T 5310—2017 中07Cr19Ni10 不銹鋼晶粒度級別的要求。

圖5 受檢試樣浸蝕態的顯微組織形貌

受檢試樣斷口處及裂紋附近的金相組織見圖5（b)～圖5（e)。可以看到,基體母材及裂紋附近母材的金相組織為奧氏體,裂紋位于管子外表面或近表面,裂紋開口附近未出現明顯的晶粒變形,裂紋由外向內沿著晶界擴展,沿晶裂紋的擴展方向與拉應力垂直,裂紋尖端尖銳且有分支,在主裂紋附近還存在多條顯微裂紋,主裂紋及附近的顯微裂紋均為沿晶裂紋,管子外壁及近表面存在多處顯微沿晶裂紋。

4 力學性能測試

依據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》,采用Wilson 402MVD 維氏硬度計對受檢試樣基體母材和受檢試樣裂紋#1 附近母材進行維氏硬度測試和受檢試樣裂紋#1 附近母材和受檢試樣基體母材的硬度測試點分別見圖6、圖7。將測試結果與GB/T 5310—2017 中07Cr19Ni10 不銹鋼的硬度標準值進行比較,試驗結果見表2。試驗結果表明：受檢試樣硬度值符合標準要求。

表2 受檢試樣的維氏硬度值HV

圖6 受檢試樣裂紋#1 附近母材硬度測試點

圖7 受檢試樣基體母材硬度測試點

5 斷口分析

清理干凈試樣表面的污漬后,在受檢試樣圖示位置裂紋斷面截取斷口試樣,見圖8（a)。試樣經超聲波清洗后,采用EVO18 型掃描電子顯微鏡進行觀察,可以看到裂紋斷面上有細小的球狀物分布,斷口呈冰糖狀形貌,見圖8（b)、圖8（c),斷口上還存在少量二次裂紋,見圖8（d),斷口微觀形貌為典型的脆性沿晶斷裂形態。對斷面上的細小球狀物進行能譜分析,見圖8（e),結果發現O 元素含量較高,并有少量的S 元素存在,說明裂紋斷面晶間附著物可能是氧化物以及少量的含硫物質。

圖8 受檢試樣斷口取樣位置與形貌

6 分析與討論

由受檢試樣宏觀觀察可知,試樣外表面光滑,呈金屬光澤,外表面存在多條橫向裂紋,管壁未見明顯減薄,管徑未見脹粗現象。受檢試樣各元素的含量在GB/T 5310—2017 中07Cr19Ni10 不銹鋼（與304 不銹鋼相當的國產鋼牌號）規定的范圍內。試樣的基體母材金相組織為奧氏體,晶粒度等級為6.5 級,符合GB/T 5310—2017 的規定。裂紋位于管子外表面,裂紋開口附近未出現明顯的晶粒變形,由外向內沿晶界擴展,裂紋尖端尖銳且有分支,在主裂紋附近還存在多條顯微裂紋,主裂紋及附近的顯微裂紋均為沿晶裂紋。管子外表面及近表面存在多處顯微沿晶裂紋,沿晶裂紋的擴展方向與拉應力垂直。由斷口SEM 觀察可知,斷口呈冰糖狀形貌,斷口上還存在少量二次裂紋,表現明顯的脆性沿晶斷裂特征。

奧氏體不銹鋼的敏化溫度為450 ～850 ℃[1],失效取樣管的額定工作溫度為573 ℃,這一溫度在不銹鋼晶間腐蝕的敏化溫度區間內。C 元素在奧氏體不銹鋼的溶解度很小,一般為0.02%～0.03%,而不銹鋼中的C 含量要高于這個范圍,當不銹鋼進行固溶處理時,在敏化溫度區間內,C 和Cr 形成富鉻碳化物Cr23C6在晶界析出,導致晶界附近的Cr 含量降低,耐腐蝕性下降[2-5]。有研究[4,6]表明,650 ℃是奧氏體不銹鋼產生晶間腐蝕的敏感溫度,隨著敏化時間的加長,奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕趨向提高。雖然管子服役位置有遮雨罩遮擋,但是火力發電廠位于亞熱帶地區,空氣濕度大,且取樣管外部未用鋁皮包裹,具有形成腐蝕的外部條件,在腐蝕介質的作用下,管子外表面形成了大量顯微沿晶裂紋。

取樣管固定在平臺上,發電機組投運后,主蒸汽管道膨脹,帶動取樣管發生了一定的位移,會對壓力取樣管施加一個附加的彎曲應力,由此會造成取樣管一側存在軸向的拉應力,另一側存在軸向的壓應力,管子外表面局部位置會存在與管子軸向平行的拉應力,以管子外表面晶間腐蝕顯微裂紋為裂紋源,在腐蝕介質與拉應力的共同作用下,最終造成管子橫向的應力腐蝕開裂。

7 結論與建議

綜合各項試驗結果及相關分析可以判斷,某火力發電廠主蒸汽管道流量計差壓變送器取樣管失效的可能原因是以晶間腐蝕顯微裂紋為裂紋源的應力腐蝕開裂。為避免后續運行期間發生類似事故,可以在材料選擇上選用含Ti、Nb 的不銹鋼,如0Cr18Ni10Ti（321）、0Cr18Ni11Nb（347）,提高抗晶間腐蝕能力,避免管子外表面形成顯微晶間裂紋；在管子外表面加裝保溫鋁皮,隔絕雨水及潮濕空氣,避免腐蝕介質的積存；改進結構設計,消除機運行過程中主蒸汽管道流量計壓力取樣管受到的附加彎曲應力。