屏式过热器管泄漏原因分析

华能国际电力股份有限公司汕头电厂 林志福 西安热工研究院有限公司 林琳 高磊

0 前言

2016年10 月， 某电厂600MW 超临界锅炉屏式过热器管下弯头外弧面发生泄漏，为了查明泄漏原因，对泄漏管样进行试验分析。自2005年11月投产至本次屏过泄漏停机，该管子累计运行约8.4万小时。

1 工作内容

取样管为2根，位置为屏过炉后侧管排A侧数第4屏，内圈往外圈数第4根（编号为1号）和第6根（泄漏管样，编号为2号），材质均为TP347H，规格为Φ45×10.8mm，管样现场照片及割取管样的照片如图1（a、b、c）所示。

2 试验分析

a)宏观形貌检查及几何尺寸测量；

b)金相分析；

c)扫描电镜和能谱成分分析；

d)硬度试验；

e)室温拉伸试验。

综合分析：指出其泄漏的原因。

3 试验结果

3.1 宏观形貌检查及几何尺寸测量

泄漏管样（A4-6）的宏观形貌如图2所示，管样弯头外弧面侧存在横向裂纹，裂纹已贯穿，泄漏的介质将邻近管子吹损泄漏，邻近管子泄漏的介质又将管样裂纹附近严重吹损；裂纹的断口表面平整，未见明显的塑性变形。将裂纹尖端沿管样纵向剖开，裂纹沿外壁向内壁扩展。

使用游标卡尺对2根管样直管部位进行壁厚和外径测量，测量结果如表1所示。结果表明：管样各部位壁厚未见明显减薄，外径未见明显胀粗。

按照ASME规范第I卷“PG-19奥氏体材料的冷加工成型”，给出公称管和管子的弯头的应变计算公式：

图1 屏过泄漏现场照片、割取管样宏观照片及取样位置示意图

图2 泄漏管样宏观形貌

式中：r为管子的公称外半径；R为管子的公称弯曲半径。

根据电厂提供资料，管子的公称外半径为5.4mm，公称弯曲半径为150mm，可以计算得弯管的应变量为15%。依据ASME规范第I卷中的表PG-19规定，当设计温度在540～675℃，变形量小于或等于15%时，冷加工后的弯管可不进行固溶处理。

3.2 金相分析

如图1（c）所示，在管样的1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3位置截取金相环，在2号管样的泄漏位置外弧面侧的裂纹尖端和对应的内弧面侧各截取一小块金相试样（依次编号为2-4、2-5），经砂纸粗、细磨和抛光后，用王水溶液对各试样进行擦蚀，在ZEISS LSM 700型激光共聚焦扫描显微镜下对各试样的显微组织和内外壁形貌进行观察分析，依据GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定法》对TP347H钢进行晶粒度评级。ASME SA-213对TP347H钢 的晶粒度要求为不细于7级，GB 5310-2008对与TP347H钢相近牌号的08Cr18Ni11Nb钢的晶粒度要求为4～7级。依据DL/T 1422-2015《18Cr-8Ni系列奥氏体不锈钢锅炉管显微组织老化评级标准》对TP347H钢的显微组织进行老化评级，标准对奥氏体钢老化分为5级，1～5级依次为未老化(原始态)、轻度老化、中度老化、重度老化、完全老化。金相分析结果见表2，结果表明：

1-1、1 -2、1-3试样的显微组织均为奥氏体+孪晶+第二相析出物，平均晶粒度均为4～5级，老化均为1～2级，即未老化～轻度老化，内壁氧化皮厚度不均匀，且部分位置氧化皮外层已脱落，氧化皮内外层较为完整处的厚度为0.05mm。

2-1、2 -2试样的显微组织为奥氏体+孪晶+第二相析出物，内壁附近存在沿壁厚方向厚度约为0.05mm、平均晶粒度为8～9级的细晶区，试样近内壁位置的平均晶粒度为4～5级，壁厚中部位置的平均晶粒度为6～7级，外壁附近的平均晶粒度为5～6级；老化1～2级，即未老化～轻度老化；内壁氧化皮厚度不均匀，氧化皮外层已全部脱落，最厚处厚度为0.03mm。

2-3试样的显微组织为奥氏体+孪晶+第二相析出物，内壁附近存在沿壁厚方向厚度约为0.05mm、平均晶粒度为8～9级的细晶区，试样近内壁位置的平均晶粒度为4～5级，壁厚中部位置的平均晶粒度为6～7级，外壁附近的平均晶粒度为5～6级，近内壁位置存在少量滑移线，老化1～2级，即未老化～轻度老化；内壁氧化皮厚度不均匀，氧化皮外层已全部脱落，最厚处厚度为0.03mm。

表1 2根管样直管部位壁厚及外径测量结果

表2 金相分析结果

表3 管样能谱成分分析结果（wt%）

2-4试样裂纹外壁开口较大，内壁开口较小，外壁附近存在较厚的氧化物，由外壁启裂，并向内壁扩展，主裂纹附近存在沿晶的二次裂纹，主裂纹外壁附近存在较多的滑移线；显微组织为奥氏体+孪晶+第二相析出物，内壁附近存在沿壁厚方向厚度约为0.05mm、平均晶粒度为8～9级的细晶区，试样近内壁位置的平均晶粒度为4～5级，壁厚中部位置的平均晶粒度为6～7级，外壁附近的平均晶粒度为5～6级；老化1～2级，即未老化～轻度老化，内壁氧化皮已基本脱落，厚度不足0.01mm。

2-5试样的显微组织为奥氏体+孪晶+第二相析出物，内壁附近存在沿壁厚方向厚度约为0.05mm、平均晶粒度为8～9级的细晶区，试样近内壁位置的平均晶粒度为4～5级，壁厚中部位置的平均晶粒度为6～7级，外壁附近的平均晶粒度为5～6级，近内壁和壁厚中部位置存在少量的滑移线，外壁附近存在较多的滑移线，老化1～2级，即未老化～轻度老化，内壁氧化皮已基本脱落，厚度不足0.01mm。

3.3 扫描电镜和能谱成分分析

3.3.1 金属基体成分分析

在FEI Quanta 400型扫描电镜和OXFORD INCA Energy X射线能谱仪下对各管样进行能谱成分分析，结果如表3所示。结果表明：管样的材质与设计材料相符，不存在错用材料问题。

3.3.2 能谱分析和断口形貌分析

使用FEI Quanta 400型扫描电镜对2号管样裂纹断口进行SEM形貌观察，未清洗前的断口存在较厚的氧化物，使用OXFORD INCA Energy X射线能谱仪对断口表面存在的氧化物进行成分分析，结果如表4所列。管样断口表面氧化物成分除O、Fe、Si、Mn、Cr、Ni等外，还有Na、Ca、K、Mg、S等煤灰成分。

表4 2号管样断口未酸洗前氧化物能谱成分结果（wt%）

图3 2号管样断口未酸洗前形貌

图4 2号管样断口酸洗后形貌

使用弱酸对断口表面进行清洗，清洗后的断口微观形貌如图4所示。断口形貌呈冰糖状的沿晶断裂，且存在沿晶的二次裂纹。

在 F E I Quanta 400型扫描电镜和OXFORD INCA Energy X射线能谱仪下对2-4号试样裂纹内的氧化物进行半定量的能谱成分分析，结果如表5、表6所列，微区分析位置如图13、图6所示。结果表明：裂纹中的氧化物成分除O、Fe、Si、Cr、Mn、Cr等外，还存在S元素。

3.4 硬度试验

依据标准GB/T 231.1-2009在HB3000型台式硬度试验机上对1-1、1-2、1-3金相环样进行布氏硬度试验，硬质合金球直径为5mm，试验力为750kfg；由于2-1、2-2、2-3金相环样，2-4、2-5金相试样的晶粒度不均匀，依据标准GB/T 4340.1-2009在VH1150型维氏硬度试验机上对各金相试样不同的晶粒度位置进行维氏硬度试验，载荷10kgf，保 荷10s。 在金相环样上每间隔90°测量1点，共测量4点，硬度试验结果见表7，结果表明：

图5 2-4号试样裂纹外壁附近氧化物成分能谱分析位置

图6 2-4号试样裂纹中部氧化物成分能谱分析位置

1-1、1 -2试样（直管段）的硬度符合标准对TP347H新钢管的要求，1-3试 样（弯头处）的硬度高于1-1、1-2试 样， 且高于标准对TP347H新钢管的上限要求。

泄漏管样各部位外壁附近的硬度均高于同一位置近内壁及壁厚中部处， 2-1、2-2试样部分位置近外壁、2-3试样的内弧面侧和外弧面侧、2-4、2-5的硬度均高于标准对TP347H新钢管的要求。

3.5 室温拉伸试验

在如图1所示的1-1、1-2、2-1、2-2位置上各加工2个（1个位于外弧面侧、另1个位于内弧面侧）拉伸试样，依据标准GB/T 228-2010进行室温拉伸试验，拉伸试验机型号为CMT5205。8个试样的室温拉伸试验结果见表8，结果表明：各试样的室温拉伸性能均符合标准对TP347H新钢管的要求。

表5 2-4号试样裂纹外壁附近氧化物能谱成分结果（wt%）

表6 2-4号试样裂纹中部氧化物能谱成分结果（wt%）

表7 硬度试验结果列表

表8 室温拉伸试验结果

4 综合分析

对屏过泄漏管样（2号）及其邻近管样（1号）进行了宏观形貌检查及几何尺寸测量、金相分析、扫描电镜和能谱成分分析、硬度试验和室温拉伸性能试验。结果综述如下：

泄漏管样在弯头外弧面侧横向开裂泄漏，裂纹的断口表面平整，沿外壁向内壁扩展，未见明显的塑性变形；管样各部位均未见明显减薄，外径未见明显胀粗。

泄漏管样裂纹处外壁开口较大，内壁开口较小，靠外壁附近存在较厚的氧化物，由外壁启裂，并向内壁扩展；主裂纹附近存在沿晶的二次裂纹，裂纹附近存在滑移线；泄漏管样的显微组织正常，晶粒度不均匀，晶粒度为4～9级，老化1～2级；邻近管样各部位的显微组织正常，晶粒度均为4～5级，老化1～2级。

管样的材质与设计材料相符，不存在错用材料问题；泄漏管管样断口表面氧化物成分除O、Fe、Si、Mn、Cr、Ni等外，还有 Na、Ca、K、Mg、S等煤灰成分；弱酸清理掉表面的氧化物后断口形貌呈冰糖状的沿晶断裂，且存在沿晶的二次裂纹。

泄漏管样各部位外壁附近的硬度高于同一位置近内壁及壁厚中部处，2-1、2-2试样部分位置近外壁、2-3试样的内弧面侧和外弧面侧、2-4、2-5的硬度均高于标准对TP347H新钢管的要求；邻近管样1-1、1-2试样（直管段）的硬度符合标准对TP347H新钢管的要求，1-3试样（弯头处）的硬度高于1-1、1-2试样，且高于标准对TP347H新钢管的上限要求。

两根管样各部位的室温拉伸性能均符合标准对TP347H新钢管的要求。

经过8.5万小时的运行，泄漏管样和邻近管样的老化等级为1～2级，室温拉伸性能符合标准对TP347H新钢管的要求，管子的材质状态正常；泄漏管样各部位的晶粒度不均匀，且直管段硬度差别较大，这说明了管子在制造过程中质量不理想，与邻近管子相比有差别；泄漏管样弯管处及裂纹附近存在较多滑移线，直管段则未见滑移线，且泄漏管样弯管外弧面开裂位置附近的硬度值高达280HV，这说明了管子在冷弯加工后未进行固溶处理，致使在弯管处存在较大的残余应力；主裂纹附近存在沿晶的二次微裂纹，微裂纹内有氧化物，断口微观形貌呈冰糖状沿晶断裂，由此可以判断弯管横向开裂的性质是沿晶应力腐蚀。

在锅炉运行期间，TP347H钢管的服役温度正好处于其敏化温度区间（500℃～850℃），在该温度区间内，C元素的固溶度下降（相对于固溶处理温度），但仍有较高的迁移能量，晶界能量高，容易满足新相形核所需的能量条件，晶界附近的C率先与晶界附近的Cr元素结合并向晶界析出，由于C原子尺寸小，迁移速度较Cr原子快很多，所以远离晶界的C不断向晶界附近迁移并与Cr结合在晶界附近析出，从而造成晶界附近贫铬，形成贫铬区，这就直接导致该部位丧失钝态（不能形成连续的含Cr氧化膜，正是该氧化膜决定奥氏体不锈钢的抗氧化、抗腐蚀能力），使晶界弱化。

管子经过冷弯加工后未进行固溶处理，弯管处存在较大的残余应力，运行期间还存在热胀应力和结构应力等，在这些较大的综合应力作用下，晶粒间的贫铬区就会选择性的氧化腐蚀，从而形成沿晶裂纹。

综上所述，材料为TP347H的屏式过热器弯管泄漏性质是沿晶应力腐蚀，是在晶界贫铬条件下，受弯管加工残余应力和热胀应力、结构应力的综合作用发生开裂泄漏。

5 结论

屏式过热器泄漏性质为沿晶应力腐蚀，是在晶界贫铬条件下，受弯管加工残余应力和热胀应力、结构应力的综合作用发生开裂泄漏。