摘 要:某超超临界机组屏式过热器发生爆管,采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、金相检 验、扫描电镜和能谱分析等方法研究了爆管原因。结果表明:爆口附近组织发生老化,晶界析出大 块或长条状σ相,越靠近爆口处,σ相数量越多,晶粒度也越大,且σ相周边存在孔洞和微裂纹,最 终导致爆管。 

关键词:S30432钢;过热器;σ相;超超临界机组;微裂纹 

中图分类号:TB31;TG115.2                   文献标志码:B                  文章编号:1001-4012(2023)08-0067-04

S30432 钢 (0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N)是 在 TP304钢的基础上添加了质量分数分别为3%和 0.5%的Cu元素和Nb元素,富铜相及含Nb元素的 碳化物、氮化物的析出使其具有明显高于 TP304H 钢的高温蠕变性能,并具有良好的抗氧化性,被广泛 应用于超临界和超超临界屏式过热器、末级过热器 及高温再热器中。

对火电机组高温受热面用S30432钢的失效研 究较少[1-4],研究内容主要为:焊接接头、弯头或直管 部位的爆管或泄漏;原始制造缺陷、工艺执行不到 位、安装问题及超温运行等导致的爆管。对析出相 的系统表征和分析较少。

某过热器系统为4级布置,屏式过热器蛇形管共 有35片屏,每片屏由19根管 组 成,横 向 节 距 为 534mm,管子材料为S30432钢以及S31042钢。末级 过热蒸汽出口压力为26.15MPa,温度为605℃;再热 蒸汽出口压力为4.98,4.78MPa,温度为603℃。

某屏式过热器出口集箱侧第14根管发生爆管, 爆口位置为出口段弯头上侧 6 m 左右,离顶棚 10m,管排高约16m,材料为 S30432钢,规格为 ?51mm×9.5mm(外径×壁厚),锅炉累计运行约 6×104h,具体爆管位置如图1所示。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

屏式过热器爆裂管宏观形貌如图2所示,由图2可知:管道爆破时发生较大的塑性变形,在爆口处弯 折约45°,裂纹沿管道纵向扩展,形成小喇叭状爆 口,爆 口 总 长 度 为 530 mm,张 口 最 大 处 宽 约 85mm,最大环向周长为240mm;爆口附近未见明 显胀粗,存在许多与爆口方向平行的纵向裂纹;最大 爆口处管壁略有减薄,边缘粗钝,断口呈脆性开裂特 征,内表面光滑,外表面存在被严重冲刷的波纹,最 大张口处未见明显的氧化皮。

爆管取样位置如图2a)所示,蒸汽流向如图2a) 中箭头所示。在最大爆口处截取3# 试样,用扫描电 镜(SEM)观察其断面形貌;在爆口末端的进汽和出 汽方向各取环状1# 试样和2# 试样。

1.2 化学成分分析

采用直读光谱仪对1# 试样进行化学成分分析, 每隔120°检测1点,共检测3点,结果如表1所示。 由表1可知:其成分符合 ASMESA-213—2019《锅 炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢 管子》的要求。

1.3 硬度测试 

按照GB/T4340.1—2009《金属材料 维氏硬度 试验 第1部分:试验方法》对爆口进汽侧环形1# 试 样和出气侧环形2# 试样进行维氏硬度测试,载荷为 1.961N,保压时间为15s;并对析出相和非析出相 进行测试,载荷为0.09807N,保压时间为15s,结 果如 表 2 所 示。依 据 ASME SA-213—2019 和 DL/T438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》, S30432钢管的硬度要求不超过230HV,由表2可 知:进汽侧和出汽侧裂纹附近的硬度均略微超出标准 上限,裂纹背面的硬度均略低于标准上限,进汽测和 出汽侧裂纹附近的硬度均高于裂纹背面硬度,进汽侧 和出气侧对应位置的硬度基本相当;进汽侧和非进汽 侧析出相的硬度远高于非析出相的硬度。

1.4 金相检验 

采用光学显微镜对进汽侧2# 试样及爆口3# 试 样的不同位置进行观察。 

3# 试样横截面微裂纹微观形貌如图3所示。 

图3a)为试样在抛光态下的形貌,裂纹表面开口较 宽,尖端较窄,其形状蜿蜒曲折,存在多条分支,周围 存在氧化现象。试样内部多处存在孔洞和微裂纹, 均分布在晶界处,还有大量白亮色的块状或长条状 析出相,呈串状沿着晶界分布,孔洞和微裂纹存在于 大块状析出相周围,并沿着晶界扩展,内部微裂纹还 未与外表面裂纹连通[见图3b)]。 

对1# 试样不同位置进行金相检验,结果如图4 所示。由图4可知:断口处有一层氧化皮,爆口边缘 和爆口附近晶界上析出相粗化且连成串状,说明该 处发生老化。根据DL/T1422—2015《18Cr-8Ni系 列奥氏体不锈钢锅炉管显微组织老化评级标准》,爆 口附近组织老化级别为5级,为完全老化,爆口对侧 组织老化级别为4.5级,为重度老化。

1# 试样中沿着晶界都分布着跟3# 试样一样的 白亮色块状或长条状析出相,爆口附近白亮色块状 析出物最多,尺寸最大,沿着周向白亮色析出物逐渐 变小、变短、变少。奥氏体不锈钢中常见析出相包括 M23C6、MX和Z相等碳氮化物,以及σ相和 Laves 相等金属间化合物[5]。在对奥氏体不锈钢进行常规 处理后,σ相与 Laves相 并 不 常 见,对 于 传 统 的 304H 钢,仅在高温长时间使用后才会出现σ相。依据晶界白亮色析出相的形态、分布及颜色,初步推 断其为σ相,其平均长度约为4μm,在爆口附近σ 相发生了明显长大,平均长度约为8μm,且在爆口 附近,白亮色析出相周围存在孔洞[见图4b)]。 

1.5 SEM 和能谱分析

将1# 试样置于SEM 下观察,结果如图5所示, 由图5可知:晶界存在很多块状、长条状析出相,晶 粒内弥散析出颗粒状第二相,大块状析出相周围存 在孔洞,个别块状析出相边界有断续状微裂纹。

对图5中的大块状析出相进行能谱分析,结果 如表3所示,可知爆管试样晶界出现的析出相为 Fe-Cr相,推测可能为σ相,还有富Cu相,与金相检验及显微硬度测试的分析结果一致。 

3# 试样断口的SEM 形貌如图6所示,可见断 口表面有一层氧化皮,断面粗糙呈颗粒状,断口表面 未见韧窝,可判断为脆性断裂模式。

2 综合分析 

S30432钢正常组织为奥氏体加少量第二相,细 小的第二相弥散分布于晶内和晶界。1# 试样不同 位置及3# 试样晶界均存在白亮色大块状或长条状 析出物,与正常组织相比,有新相析出,并且明显粗 化。能谱分析结果显示:白亮色析出物属于富 FeCr的σ相。硬度测试结果表明:σ相显微硬度远高 于晶内弥散析出物的硬度,试样基体硬度也在标准 上限的附近。σ相是一种常见的具有四方晶体结构 类型的金属间化合物,其析出会阻碍变形过程中位 错的滑移,使硬度增大。

σ相主要沿着晶界或孪晶界析出,三叉晶界处σ 相普遍粗化明显。爆口进汽侧圆环不同位置均存在 σ相,爆口对侧白亮色析出相(σ相)的平均长度约为 4μm,而爆口附近的σ析出相发生了明显长大,平 均长度约为8μm,表明温度越高,越利于σ相的析 出。在700℃,时效3000h时,S30432钢中没有发 现σ相;在650℃、170MPa时,10712h后断裂的 试样中也没有发现σ相;在700 ℃、120 MPa时, 6234h后试样中的 σ相数量多于 4362h 后试 样[6-8],也进一步说明σ相的析出熟化与温度、时间 相关,最快析出温度为750~870℃ [9],试样在一段时间内析出大量的σ相,并快速长大,由此推断爆管 管段实际运行温度高于750℃。 

爆管爆口处沿晶界粗化的σ相析出物周围形成 了孔洞和裂纹,当裂纹发展到一定程度时,S30432 钢的持久塑性和强度大幅降低,最终在内压力的作 用下发生爆管。 

3 结论 

(1)屏式过热器爆口附近产生大量裂纹和孔 洞,硬度偏高,存在老化现象,晶界析出大块或长条 状σ相,越靠近爆口处,σ相越多、越粗,由此推断: 爆管管段在一段时间内的运行温度高于750℃。 

(2)爆管环形试样整圈都存在σ相,爆口位置σ 相尺寸明显大于对侧,平均长度约为8μm,温度越 高,越利于σ相的析出、粗化。 

(3)σ相周边存在孔洞和微裂纹,表明该屏式过 热器过热后σ相大量析出和粗化,导致裂纹萌生,最 后发生爆管。

参考文献: 

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<文章来源 >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 8期 (pp:67-70)>