魏星，唐麗英

（1.神華福建能源有限責(zé)任公司，福州350004；2.西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安710032）

TP347H過熱器管爆管原因分析

魏星1，唐麗英2

（1.神華福建能源有限責(zé)任公司，福州350004；2.西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安710032）

通過宏觀檢查、金相組織、斷口形貌、力學(xué)性能檢驗(yàn)，對(duì)某超超臨界機(jī)組二級(jí)過熱器TP347H的爆管原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：發(fā)生爆管的原因是材料內(nèi)部存在顯微裂紋及局部偏析缺陷，建議制造廠在管子入廠時(shí)加強(qiáng)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有裂紋的管子及時(shí)更換。

TP347H；爆管；顯微裂紋；偏析

0 引言

TP347H（1Cr19Ni11Nb）是一種高碳含鈮的Cr -Ni奧氏體不銹鋼，其價(jià)格較為低廉，且具有良好的高溫力學(xué)性能及耐晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能，在火力發(fā)電廠鍋爐高溫受熱面得到了廣泛的應(yīng)用。但是也出現(xiàn)了很多TP347H鍋爐管失效案例，其典型失效方式包括彎管后不進(jìn)行固溶處理而導(dǎo)致晶間腐蝕開裂、鍋爐管內(nèi)壁氧化皮出現(xiàn)大量脫落堆積、加工工藝不當(dāng)導(dǎo)致開裂、原材料供貨時(shí)存在裂紋、夾雜物、長期過熱導(dǎo)致材質(zhì)老化損傷等。

某超超臨界機(jī)組二級(jí)過熱器TP347H發(fā)生爆管導(dǎo)致停爐，失效的管子規(guī)格為Φ54.0×8.4 mm，爆口位于二級(jí)過熱器右數(shù)第三屏前數(shù)第18根出口段，距下彎頭約5 m。二級(jí)過熱器的設(shè)計(jì)出口蒸汽溫度為498℃，出口金屬壁溫為550℃，最高金屬壁溫為574℃。該機(jī)組于2007年12月份投運(yùn)，發(fā)生爆管時(shí)的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為26 000 h。本文通過斷口宏觀分析和微觀分析、管材金相組織分析和力學(xué)性能測(cè)試，得出二級(jí)過熱器TP347H管的爆管原因，為防止同類事故發(fā)生提供參考。

1 試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)爆管管段取樣進(jìn)行斷口微觀組織和金相組織分析，并且對(duì)管子取樣進(jìn)行拉伸性能和沖擊性能測(cè)試。用FEI Quanta400型SEM（掃描電子顯微鏡）和牛津INCA Energy X射線EDS（能譜儀）對(duì)斷口微觀形貌進(jìn)行分析，用蔡司LSM700型激光共聚焦顯微鏡對(duì)試樣金相組織進(jìn)行觀察和分析。

拉伸試驗(yàn)按GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》在MTS880型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)按GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》在JBC-300型電子測(cè)力沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，最后綜合分析得出爆管原因。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀分析

收到失效樣品時(shí)，爆口已被火焰切割從中間分開，兩側(cè)各帶長約350 mm的管子，宏觀形貌如圖1所示，圖中的1，2為斷口金相樣品取樣位置。爆口為縱向開裂的張開式大爆口，外壁顏色為灰色加土黃色，未見發(fā)黑；爆口邊緣未被火焰切割部分減薄約2 mm，整個(gè)管段未發(fā)現(xiàn)脹粗；爆口上外壁有明顯的翹皮、分層及凹痕等特征，并且翹皮與凹痕在爆裂前是同一位置。宏觀特征表明：爆口無明顯過熱特征，爆口部位可能存在缺陷。

圖1 爆口宏觀照片

2.2 金相組織分析

在爆口的翹皮和分層處取金相樣品，編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)。磨面均為橫向，距離火焰割口約為15～20 mm，金相組織見圖2—圖3。由圖2（a）可知，爆口部位的翹皮處金相組織為奧氏體，晶粒未見拉長，說明翹皮不是斷裂產(chǎn)生的剪切唇，與基體金屬之間產(chǎn)生裂紋的時(shí)間應(yīng)在鋼管出廠熱處理之前。由圖2（b）可以看出，1號(hào)樣品斷口附近的組織中存在大量沿晶分布的二次裂紋和孔洞，且走向與斷口主方向基本平行。

圖2 1號(hào)樣品斷口微觀組織

由圖3可以看出，2號(hào)樣品斷口靠近外壁分層處組織則為等軸晶，晶粒無拉長特征；在壁厚中部位置，斷口附近晶粒由等軸晶變成拉長形態(tài)，見圖3（a）；靠近內(nèi)壁處斷口附近晶粒則明顯拉長，由此可以看出裂紋起源于外壁附近，從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，隨著裂紋擴(kuò)展，未開裂部分承受的應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力超過管材的強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂，內(nèi)壁側(cè)為終斷區(qū)。

2號(hào)樣品距離斷口10～20 mm處近外壁有2處裂紋缺陷。一處位于管壁內(nèi)部，距外壁0.3～0.4 mm，長度約為1 mm；另一處自外壁斜向內(nèi)擴(kuò)展，長度約為0.8 mm，見圖3（b）—（e）；2號(hào)樣品2條裂紋附近及尖端均有明顯的夾雜物偏析，見圖3（c）和圖3（e）。

圖3 2號(hào)樣品微觀組織

以上分析說明，爆口起源于外壁附近的裂紋類缺陷，管段的金相組織無明顯老化現(xiàn)象。

2.3 斷口SEM分析

用FEI Quanta400型SEM和牛津INCA Energy X射線EPS對(duì)斷口微觀形貌進(jìn)行了分析，結(jié)果如下：1號(hào)樣品斷口和2號(hào)樣品斷口的SEM照片見圖4、圖5，由圖可知：斷口靠近外壁處的氧化物很厚，斷口原始顯微形貌已無法觀察到；而靠近內(nèi)壁處的氧化物較薄，可見斷口微觀形貌為韌窩，內(nèi)壁是最終斷裂區(qū)，裂紋起源于外壁附近，這與金相分析結(jié)果一致。

圖4 1號(hào)樣品斷口SEM照片

圖5 2號(hào)樣品斷口SEM照片

2.4 力學(xué)性能檢驗(yàn)

在爆口上下管段的爆口側(cè)和爆口對(duì)側(cè)分別加工縱向拉伸試樣和縱向沖擊試樣，拉伸試樣為原壁厚板狀試樣，沖擊試樣尺寸（10×5×55）mm，試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表可見，樣品的抗拉性能符合ASTM A213標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)TP347H的要求，沖擊吸收能量正常，并且爆口側(cè)和爆口對(duì)側(cè)性能接近。

表1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 分析與討論

綜合以上試驗(yàn)分析結(jié)果，歸納二級(jí)過熱器TP347H爆管特點(diǎn)如下：

（1）管子力學(xué)性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織無明顯老化，無明顯過熱特征。

（2）斷口上的翹皮、凹痕等特征形成過程中未受力，是在管子制造過程中形成的。

（3）材料外壁及近外壁存在微裂紋、NbC（碳化鈮）夾雜物集中偏析等缺陷。

綜合以上失效特點(diǎn)可以判斷，二級(jí)過熱器TP347H失效的原因是：鍋爐管存在制造過程中產(chǎn)生的顯微裂紋及局部NbC集中偏析缺陷導(dǎo)致管子早期失效。

TP347H不銹鋼含有較高的合金元素，冶煉過程中容易出現(xiàn)元素偏析，爆口管外壁附近裂紋周圍存在明顯的集中分布的一次碳化物NbC，由于NbC析出物與基體組織的物理性能（如熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)）不同，塑性變形能力存在差異，就會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，破壞材料變形的連續(xù)性。高溫下奧氏體的塑性變形能力強(qiáng)，而析出相變形能力較差，析出相阻止晶界遷移，從而在析出相與基體金屬的界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，在管材軋制過程中易產(chǎn)生微裂紋，在運(yùn)行過程中微裂紋緩慢擴(kuò)展，從而導(dǎo)致材料的早期失效。

4 結(jié)論

二級(jí)過熱器TP347H的爆管原因是材料內(nèi)部的顯微裂紋及局部偏析缺陷導(dǎo)致的管子早期失效。制造廠在管子入廠檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有裂紋的管子及時(shí)更換。

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（本文編輯：徐晗）

Cause Analysis on Tube Burst of TP347H Superheater

WEI Xing1，TANG Liying2
（1.Shenhua（Fujian）Energy Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350004，China；
2.Xi′an Thermal Power Research Institute，Xi′an 710032，China）

Tube burst causes of secondary superheater TP347H in supercritical generating units are analyzed through macrographic examination and inspection on metallographic structure，fracture appearance and mechanical property.The result shows that the causes of the tube burst are microcracks and local segregation defects in the material.It is advised that the inspection on boiler tubes should be strengthened and the tubes with cracks should be replaced in time.

TP347H；burst tube；microcrack；segregation

TK228

：B

：1007-1881（2016）02-0060-03

2015-06-19

魏星（1970），男，高級(jí)工程師，長期從事發(fā)電廠生產(chǎn)技術(shù)管理工作。