锅炉主蒸汽流量计取压一次门前短管失效分析及改造

广东粤电中山热电厂有限公司 耿大斌

1 概述

广东粤电中山热电厂有限公司#3 炉主蒸汽流量计差压变送器取压一次门前短管2022年6月发生泄漏，该管设计材质为304，规格为Φ16×3mm，额定工作温度573℃，压力12.96MPa，工作介质为蒸汽，开始服役时间为2019年01月16日，取压管服役位置如图1所示。

图1 取压管服役位置

2 试验分析及结果

2.1 宏观观察分析

观察到试样#1 外表面光滑，呈金属光泽，存在1条横向的穿透性裂纹，长约半圈，在穿透性裂纹两端还存在多条横向裂纹，管壁未见减薄，管径未见胀粗现象。试样的宏观形貌如图2所示。

图2 试样宏观形貌

2.2 化学成分分析

采用德国Foundry Master 台式真空火花发射光谱仪，对本次送检试样的化学成分按《火花放电原子发射光谱分析法通则》(GB/T 14203—2016)[1]和《高压锅炉用无缝钢管》(GB/T 5310—2017)[2]要求进行检测分析。试样化学成分分析结果如表1所示。

表1 试样化学成分分析结果

结果表明：与国家标准相比，送检试样各元素的含量均在标准规定的范围内。判断#3炉主蒸汽流量计差压变送器取压一次门前短管的化学成分与设计相符。

2.3 金相组织分析

试样经镶嵌、磨制、抛光后，采用Leica-DMI5000金相显微镜对管子纵向截面进行观察，可以发现，管子外壁存在2处裂纹、近表面存在1处裂纹，在主裂纹附近还存在多条显微裂纹，试样裂纹照片如图3所示，管子内壁未见裂纹缺。

图3 试样裂纹照片

2.3.1 晶粒度评定

对抛光态金相试样进行腐蚀，腐蚀剂为王水（硝酸：盐酸=1：3），并根据《金属平均晶粒度测定方法》(GB/T 6394—2017)[3]对腐蚀态金相试样进行晶粒度等级评定。经腐蚀后试样的金相组织，通过与标准评级图相比较，评定晶粒度等级为6.5 级，符合《高压锅炉用无缝钢管》(GB/T 5310—2017)[2]中07Cr19Ni10不锈钢晶粒度级别的要求。

2.3.2 金相组织分析

采用Leica-DMI5000 金相显微镜对进行金相组织观察，基体母材的金相组织如图4所示。

图4 基体母材金相组织图

基体母材及裂纹附近母材的金相组织为孪晶奥氏体，裂纹位于管子外表面或近表面，裂纹由外向内扩展，裂纹尖端尖锐，在主裂纹附近还存在多条显微裂纹，主裂纹及附近的显微裂纹均为沿晶裂纹。管子外壁存在多处显微沿晶裂纹，深约1～2个晶粒，裂纹位置金相组织如图5所示。

图5 裂纹位置金相组织

2.4 材料硬度试验

依据《金属材料维氏硬度试验第1 部分：试验方法》(GB/T 4340.1—2009)[4]，采用bambino2 硬度试验机对送检的试样基体母材、裂纹附近母材进行维氏硬度测试，裂纹附近母材的硬度测试点如图6所示。

图6 裂纹附近母材硬度测试点

测试结果将与《高压锅炉用无缝钢管》(GB/T 5310—2017)[2]中07Cr19Ni10 不锈钢的硬度标准值进行比较，送检试样的维氏硬度值（HV）如表2所示。由表2可知，试样的硬度值符合标准要求。

表2 送检试样的维氏硬度值（单位：HV）

2.5 断口SEM分析及EDS分析

在试样图示位置截取断口试样，断口SEM分析取样位置如图7所示。

图7 断口SEM分析取样位置

试样经超声波清洗后，采用EVO18型扫描电子显微镜进行观察，可以看到断口呈冰糖状形貌。断口微观形貌为典型的脆性沿晶断裂形态。在断口上选择2 个位置进行EDS 分析，判断断口表面已经发生氧化，覆盖一层氧化膜。

3 分析与讨论

一是试样宏观观察可知，试样外表面光滑，呈金属光泽，外表面存在多条横向裂纹，管壁未见减薄，管径未见胀粗现象。

二是试样化学成分分析可知，试样各元素的含量均在标准规定的范围。

三是试样的晶粒度等级为6.5 级，符合标准的要求。

四是试样金相组织分析可知，试样的金相组织为孪晶奥氏体，裂纹位于管子外表面，由外向内扩展，裂纹尖端尖锐，在主裂纹附近还存在多条显微裂纹，主裂纹及附近的显微裂纹均为沿晶裂纹。管子外表面存在多处显微沿晶裂纹，深约1～2个晶粒。

五是观察断口SEM照片可知，断口呈冰糖状形貌，断口上还存在少量二次裂纹，为典型的脆性沿晶断裂形态。

六是断口EDS 分析可知断口表面已经发生了氧化，覆盖了一层氧化膜。

综合各项试验结果及相关分析可以判断，#3 炉主蒸汽流量计差压变送器取压一次门前短管失效的原因是以晶间腐蚀[5]显微裂纹为裂纹源的应力腐蚀开裂。管子额定工作温度为573℃，这一温度属于不锈钢晶间腐蚀的敏化温度区间，在敏化温度区间内，富铬碳化物在晶界析出，导致晶界附近的铬含量降低，耐腐蚀性下降。虽然管子服役位置有遮雨罩遮挡，但是电厂位于亚热带地区，空气湿度大，且短管外部未用铝皮包裹，具有形成腐蚀的外部条件，在腐蚀介质的作用下，管外表面形成了大量显微沿晶裂纹。

机组投运后，主蒸汽管道膨胀，会对取压一次门前短管施加一个附加的弯曲应力，管子外表面局部位置会存在与管子轴向平行的拉应力。以管子外表面晶间腐蚀显微裂纹为裂纹源，在腐蚀介质与拉应力的共同作用下，最终造成管子横向的应力腐蚀开裂。

4 整改优化方案

选用含Ti、Nb 的不锈钢，如0Cr18Ni10Ti（321）、0Cr18Ni11Nb（347），提高抗晶间腐蚀能力，避免管子外表面形成显微晶间裂纹。在管子外表面加装保温铝皮，隔绝雨水及潮湿空气，避免腐蚀介质的积存。改进结构设计，消除机运行过程中主蒸汽流量计差压变送器取压一次门前短管受到的附加弯曲应力。

5 结语

在火力发电工程中，高温高压取样管的选材非常重要，需要按相应管道制造高标准和温度压力等级选取，在现场安装时要考虑到膨胀位移的问题，避免产生附加应力，要做好保温防腐措施。