高温再热器SA-213标准TP347H不锈钢管爆管原因分析

   浙江宏盛特钢有限公司通过宏观分析、硬度测量、显微组织观察和扫描电镜与能谱成分分析，对某电厂2号炉高温再热器SA213-TP347H不锈钢管进行爆管原因分析。试验结果表明，爆口管件的化学成分、硬度和拉伸性能符合ASTMA213/A213M对SA213-TP347H不锈钢的规定，爆口处的显微组织为奥氏体，晶界处存在含Fe、Cr、Nb的析出物。对备件管样弯头进行了试验分析，硬度试验表明其弯头处的洛氏硬度超出GB5310—2008对SA-213标准TP347H不锈钢的规定；显微组织观察表明弯头处存在较多滑移线，对其进行扫描电镜观察和能谱分析，存在含有S等非金属元素的夹杂。综上所述，爆管原因属材料弯管在生产中未进行固溶处理，晶界上出现含铬析出物，形成贫铬区导致晶界弱化，导致晶间应力腐蚀而爆管。

   随着我国电力需求量的剧增和对节能环保要求的进一步提高，发展大容量、高效率、超（超）临界参数火电机组是当前的主流趋势。SA-213-TP347H奥氏体不锈钢不仅具有良好的抗晶间腐蚀、高温氧化及蠕变性能，而且其焊接及热加工性能优良，已广泛应用于国内超临界大容量电站锅炉的制造和维修中。然而，国内某些厂家在生产SA-213-TP347H不锈钢的过程中未严格按照ASMEI—2010《锅炉和压力容器规范（第1卷）动力锅炉建造规范》规范在冷加工后进行固溶热处理，更有甚者根本不进行固溶处理，对TP347H钢的使用性能（尤其是弯头的性能）造成很大的影响。2013年10月17日，某电厂高温再热器钢管发生爆管事件，泄漏停炉后，华电电力科学研究院材料部相关人员第一时间赶赴现场，对爆管处进行仔细检查，并对初步判断的第一爆口（从炉左数第42屏管排第17根）进行取样，爆管处为高温再热器下部U型弯头内侧，爆口位置吹损减薄较为严重，高温再热器管材质为SA-213TP347H不锈钢，规格为51mm×5.5mm。此电厂为超临界燃煤锅炉，锅炉型号为HG-1900/25.4，高温再热器爆管时的运行参数为压力3.87MPa，温度562℃。本文将利用宏观、硬度、显微组织和扫描电镜与能谱成分等方法对爆管试样进行分析，找出其爆管原因。

一、试验方法及结果

1. 宏观分析

     高温再热器开裂位置位于弯管内弧侧，爆口为沿管轴向延伸开裂，爆管后对附近的管壁严重吹损，其备件管样弯头表面光亮，未进行冷加工后的固溶处理，用磁性测量仪对其进行测量发现其具有磁性。同时测量了弯管的变形量，按照ASMEI-2010“PG-19奥氏体材料的冷加工成型”中，给出公称管和管子的弯头的应变计算公式：应变（%）=100r/Ｒ式中：Ｒ为公称管或管子中心线的公称弯曲半径；r为公称管或管子公称外半径。计算可得弯管的变形量为15%。

2. 化学成分分析及常温拉伸试验

    在爆管管样和备件管样分别取样进行化学成分分析，结果如表所示。

3. 硬度试验

    对爆管管样和备件样进行洛氏硬度试验，分别对爆口附近处、备件管样直管段、备件管样弯头内弧面和备件管样外弧面进行了硬度试验，每个位置测量3次，结果如表所示。

4. 显微组织分析

     利用LeicaDM2500M型金相显微镜对爆管样和备件样进行显微组织观察，结果如图所示，其中爆管管样上显微组织为奥氏体+晶界碳化物，晶粒度为8级，未见孪晶和滑移线，对备件管样弯头处的组织为奥氏体+沿晶界分布的少量碳化物，能明显观察到孪晶和滑移线。图爆管样及备件样晶间腐蚀后的扫描电镜照片及能谱分析。扫描电镜及能谱成分分析为了能深入的分析晶间腐蚀的微观机理，对晶间腐蚀样品进行扫描电镜观察和能谱成分分析，图为晶间腐蚀样品的电镜扫描图和能谱分析图，可以看出，晶间存在裂纹。爆口管样晶界处有明显的析出物，能谱分析可能是含有铬和铌的氧化物和碳化物颗粒。对备件样表面进行扫描电镜观察可以看出表面存在着颗粒物的夹杂，能谱分析可以看出其为含硫的夹杂物。

二、分析及讨论

    对爆管处取样和对备件样进行化学成分分析和常温力学性能试验结果表明，均符合ASMESA213-ISA-213M-2004《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏体合金钢管》中对SA-213TP347H不锈钢的要求，可知其化学成分正常。该锅炉运行时间较短，且爆口内外壁均未发现氧化皮，也未见鼓包、胀粗等迹象，说明其不是过热导致的爆管；按照ASMEI-2010标准测量弯头的变形量为15%，对比标准可知其变形量达到了较低温度成型变形的限制范围的控制值，按照要求应在弯头冷加工完成后进行固溶处理，固溶处理可以减小其加工所产生的残余应力和位错等，但该批高温再热器弯头加工后均未进行固溶处理。

   浙江宏盛特钢有限公司技术人员发现弯管产生的残余应力、位错等加速铬的碳化物在晶界析出，晶界急剧贫铬化，以及形变诱发的马氏体电位低，严重削弱晶界的抗腐蚀性。根据GB5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》中对SA-213标准TP347H钢的洛氏硬度值范围的规定（≤90HＲB），可以看出，备件管件弯头处的硬度不符合GB5310—2008的规定，略高于其规定范围。原因是其冷加工产生的大量的位错，位错塞积引起加工硬化；对备件管样显微组织观察可知组织为奥氏体+沿晶界分布的少量碳化物，冷加工后未进行固溶处理是导致备件样上硬度偏高的重要原因。扫描电镜及能谱分析可知爆口管样晶界处存在含有Cr和Nb的氧化物和碳化物颗粒析出物。对备件管样进行扫描电镜观察可以看出存在含硫夹杂物。晶界处析出了含有铬的析出物，导致晶界形成了贫铬区，恶化了晶界的抗腐蚀性能。宏盛特钢研究人员发现贫铬区的形成与发展是由铬的扩散控制的，TP347H不锈钢弯头冷加工过程中产生的大量位错和空位对元素的扩散有很大的促进作用；变形的影响是加速敏化，对于含碳量0.04%以上的18Cr-9Ni钢在低敏化温度加热时出现晶间腐蚀是因为含碳0.04以上变形加速了铬的扩散，而晶间腐蚀受Cr的扩散控制，因而加速了敏化。可见弯头未固溶处理严重降低了晶界的腐蚀性能。

    文献表明304L和316NG型不锈钢在600℃附近，因有硫的偏析以造成晶界应力腐蚀开裂。此外，晶界区域氧化物发生聚集，氧化层的结构被破坏，从而增加了其腐蚀速率。文献中指出其高温再热器管失效的主要原因是硫促使晶界应力腐蚀开裂。由此可以看出备件样中的含S夹杂物对管子的性能造成恶劣的影响。

三、结论

  综合上述分析，此次高温再热器爆管原因是TP347H不锈钢弯管在生产过程中未进行固溶处理，弯头处位错和残余应力增加，晶界上出现含Cr析出物，形成贫Cr区，导致晶界弱化，抗腐蚀性能降低。在锅炉实际运行过程中，高温再热器TP347H不锈钢弯头在蒸汽压力、热应力、残余应力和腐蚀介质的共同作用下，最终导致晶间应力腐蚀而爆管。表面的含S夹杂物的存在也对弯头的使用性能造成一定影响。建议对高温再热器弯头全部严格按照相关标准重新进行固溶处理，并对弯头内外弧面进行宏观检查、磁性检测和表面探伤，避免此类爆管的进一步发生。