摘 要:某超超臨界機(jī)組屏式過熱器發(fā)生爆管,采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢 驗、掃描電鏡和能譜分析等方法研究了爆管原因。結(jié)果表明:爆口附近組織發(fā)生老化,晶界析出大 塊或長條狀σ相,越靠近爆口處,σ相數(shù)量越多,晶粒度也越大,且σ相周邊存在孔洞和微裂紋,最 終導(dǎo)致爆管。 

關(guān)鍵詞:S30432鋼;過熱器;σ相;超超臨界機(jī)組;微裂紋 

中圖分類號:TB31;TG115.2                   文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                  文章編號:1001-4012(2023)08-0067-04

S30432 鋼 (0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N)是 在 TP304鋼的基礎(chǔ)上添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%和 0.5%的Cu元素和Nb元素,富銅相及含Nb元素的 碳化物、氮化物的析出使其具有明顯高于 TP304H 鋼的高溫蠕變性能,并具有良好的抗氧化性,被廣泛 應(yīng)用于超臨界和超超臨界屏式過熱器、末級過熱器 及高溫再熱器中。

對火電機(jī)組高溫受熱面用S30432鋼的失效研 究較少[1-4],研究內(nèi)容主要為:焊接接頭、彎頭或直管 部位的爆管或泄漏;原始制造缺陷、工藝執(zhí)行不到 位、安裝問題及超溫運行等導(dǎo)致的爆管。對析出相 的系統(tǒng)表征和分析較少。

某過熱器系統(tǒng)為4級布置,屏式過熱器蛇形管共 有35片屏,每片屏由19根管 組 成,橫 向 節(jié) 距 為 534mm,管子材料為S30432鋼以及S31042鋼。末級 過熱蒸汽出口壓力為26.15MPa,溫度為605℃;再熱 蒸汽出口壓力為4.98,4.78MPa,溫度為603℃。

某屏式過熱器出口集箱側(cè)第14根管發(fā)生爆管, 爆口位置為出口段彎頭上側(cè) 6 m 左右,離頂棚 10m,管排高約16m,材料為 S30432鋼,規(guī)格為 ?51mm×9.5mm(外徑×壁厚),鍋爐累計運行約 6×104h,具體爆管位置如圖1所示。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

屏式過熱器爆裂管宏觀形貌如圖2所示,由圖2可知:管道爆破時發(fā)生較大的塑性變形,在爆口處彎 折約45°,裂紋沿管道縱向擴(kuò)展,形成小喇叭狀爆 口,爆 口 總 長 度 為 530 mm,張 口 最 大 處 寬 約 85mm,最大環(huán)向周長為240mm;爆口附近未見明 顯脹粗,存在許多與爆口方向平行的縱向裂紋;最大 爆口處管壁略有減薄,邊緣粗鈍,斷口呈脆性開裂特 征,內(nèi)表面光滑,外表面存在被嚴(yán)重沖刷的波紋,最 大張口處未見明顯的氧化皮。

爆管取樣位置如圖2a)所示,蒸汽流向如圖2a) 中箭頭所示。在最大爆口處截取3# 試樣,用掃描電 鏡(SEM)觀察其斷面形貌;在爆口末端的進(jìn)汽和出 汽方向各取環(huán)狀1# 試樣和2# 試樣。

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對1# 試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析, 每隔120°檢測1點,共檢測3點,結(jié)果如表1所示。 由表1可知:其成分符合 ASMESA-213—2019《鍋 爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼 管子》的要求。

1.3 硬度測試 

按照GB/T4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度 試驗 第1部分:試驗方法》對爆口進(jìn)汽側(cè)環(huán)形1# 試 樣和出氣側(cè)環(huán)形2# 試樣進(jìn)行維氏硬度測試,載荷為 1.961N,保壓時間為15s;并對析出相和非析出相 進(jìn)行測試,載荷為0.09807N,保壓時間為15s,結(jié) 果如 表 2 所 示。依 據(jù) ASME SA-213—2019 和 DL/T438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》, S30432鋼管的硬度要求不超過230HV,由表2可 知:進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)裂紋附近的硬度均略微超出標(biāo)準(zhǔn) 上限,裂紋背面的硬度均略低于標(biāo)準(zhǔn)上限,進(jìn)汽測和 出汽側(cè)裂紋附近的硬度均高于裂紋背面硬度,進(jìn)汽側(cè) 和出氣側(cè)對應(yīng)位置的硬度基本相當(dāng);進(jìn)汽側(cè)和非進(jìn)汽 側(cè)析出相的硬度遠(yuǎn)高于非析出相的硬度。

1.4 金相檢驗 

采用光學(xué)顯微鏡對進(jìn)汽側(cè)2# 試樣及爆口3# 試 樣的不同位置進(jìn)行觀察。 

3# 試樣橫截面微裂紋微觀形貌如圖3所示。 

圖3a)為試樣在拋光態(tài)下的形貌,裂紋表面開口較 寬,尖端較窄,其形狀蜿蜒曲折,存在多條分支,周圍 存在氧化現(xiàn)象。試樣內(nèi)部多處存在孔洞和微裂紋, 均分布在晶界處,還有大量白亮色的塊狀或長條狀 析出相,呈串狀沿著晶界分布,孔洞和微裂紋存在于 大塊狀析出相周圍,并沿著晶界擴(kuò)展,內(nèi)部微裂紋還 未與外表面裂紋連通[見圖3b)]。 

對1# 試樣不同位置進(jìn)行金相檢驗,結(jié)果如圖4 所示。由圖4可知:斷口處有一層氧化皮,爆口邊緣 和爆口附近晶界上析出相粗化且連成串狀,說明該 處發(fā)生老化。根據(jù)DL/T1422—2015《18Cr-8Ni系 列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評級標(biāo)準(zhǔn)》,爆 口附近組織老化級別為5級,為完全老化,爆口對側(cè) 組織老化級別為4.5級,為重度老化。

1# 試樣中沿著晶界都分布著跟3# 試樣一樣的 白亮色塊狀或長條狀析出相,爆口附近白亮色塊狀 析出物最多,尺寸最大,沿著周向白亮色析出物逐漸 變小、變短、變少。奧氏體不銹鋼中常見析出相包括 M23C6、MX和Z相等碳氮化物,以及σ相和 Laves 相等金屬間化合物[5]。在對奧氏體不銹鋼進(jìn)行常規(guī) 處理后,σ相與 Laves相 并 不 常 見,對 于 傳 統(tǒng) 的 304H 鋼,僅在高溫長時間使用后才會出現(xiàn)σ相。依據(jù)晶界白亮色析出相的形態(tài)、分布及顏色,初步推 斷其為σ相,其平均長度約為4μm,在爆口附近σ 相發(fā)生了明顯長大,平均長度約為8μm,且在爆口 附近,白亮色析出相周圍存在孔洞[見圖4b)]。 

1.5 SEM 和能譜分析

將1# 試樣置于SEM 下觀察,結(jié)果如圖5所示, 由圖5可知:晶界存在很多塊狀、長條狀析出相,晶 粒內(nèi)彌散析出顆粒狀第二相,大塊狀析出相周圍存 在孔洞,個別塊狀析出相邊界有斷續(xù)狀微裂紋。

對圖5中的大塊狀析出相進(jìn)行能譜分析,結(jié)果 如表3所示,可知爆管試樣晶界出現(xiàn)的析出相為 Fe-Cr相,推測可能為σ相,還有富Cu相,與金相檢驗及顯微硬度測試的分析結(jié)果一致。 

3# 試樣斷口的SEM 形貌如圖6所示,可見斷 口表面有一層氧化皮,斷面粗糙呈顆粒狀,斷口表面 未見韌窩,可判斷為脆性斷裂模式。

2 綜合分析 

S30432鋼正常組織為奧氏體加少量第二相,細(xì) 小的第二相彌散分布于晶內(nèi)和晶界。1# 試樣不同 位置及3# 試樣晶界均存在白亮色大塊狀或長條狀 析出物,與正常組織相比,有新相析出,并且明顯粗 化。能譜分析結(jié)果顯示:白亮色析出物屬于富 FeCr的σ相。硬度測試結(jié)果表明:σ相顯微硬度遠(yuǎn)高 于晶內(nèi)彌散析出物的硬度,試樣基體硬度也在標(biāo)準(zhǔn) 上限的附近。σ相是一種常見的具有四方晶體結(jié)構(gòu) 類型的金屬間化合物,其析出會阻礙變形過程中位 錯的滑移,使硬度增大。

σ相主要沿著晶界或?qū)\晶界析出,三叉晶界處σ 相普遍粗化明顯。爆口進(jìn)汽側(cè)圓環(huán)不同位置均存在 σ相,爆口對側(cè)白亮色析出相(σ相)的平均長度約為 4μm,而爆口附近的σ析出相發(fā)生了明顯長大,平 均長度約為8μm,表明溫度越高,越利于σ相的析 出。在700℃,時效3000h時,S30432鋼中沒有發(fā) 現(xiàn)σ相;在650℃、170MPa時,10712h后斷裂的 試樣中也沒有發(fā)現(xiàn)σ相;在700 ℃、120 MPa時, 6234h后試樣中的 σ相數(shù)量多于 4362h 后試 樣[6-8],也進(jìn)一步說明σ相的析出熟化與溫度、時間 相關(guān),最快析出溫度為750~870℃ [9],試樣在一段時間內(nèi)析出大量的σ相,并快速長大,由此推斷爆管 管段實際運行溫度高于750℃。 

爆管爆口處沿晶界粗化的σ相析出物周圍形成 了孔洞和裂紋,當(dāng)裂紋發(fā)展到一定程度時,S30432 鋼的持久塑性和強(qiáng)度大幅降低,最終在內(nèi)壓力的作 用下發(fā)生爆管。 

3 結(jié)論 

(1)屏式過熱器爆口附近產(chǎn)生大量裂紋和孔 洞,硬度偏高,存在老化現(xiàn)象,晶界析出大塊或長條 狀σ相,越靠近爆口處,σ相越多、越粗,由此推斷: 爆管管段在一段時間內(nèi)的運行溫度高于750℃。 

(2)爆管環(huán)形試樣整圈都存在σ相,爆口位置σ 相尺寸明顯大于對側(cè),平均長度約為8μm,溫度越 高,越利于σ相的析出、粗化。 

(3)σ相周邊存在孔洞和微裂紋,表明該屏式過 熱器過熱后σ相大量析出和粗化,導(dǎo)致裂紋萌生,最 后發(fā)生爆管。

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<文章來源 >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 8期 (pp:67-70)>