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1、TP347H奥氏体不锈钢高温过热器管爆管分析赵勇 大唐长春第三热电厂摘 要：对爆管试样进行宏观形貌分析、金相分析、力学性能测试、晶间腐蚀试验，测试结果表明爆管是由于TP347H管材弯制后未按规定进行固溶处理导致的晶间腐蚀爆管。关键词：奥氏体不锈钢 爆管 晶间腐蚀 前 言随着我国经济的高速发展，促进了火力发电的迅猛发展，超(超)临界机组已成为目前火力发电的主流机组，使我国火电进入了大容量、高参数、序列化发展的阶段。目前亚临界压力或超临界压力锅炉过热器最高实际壁温都超过了600，珠光体耐热钢已不能适应，而贝氏体耐热钢虽有良好的组织稳定性、较高的高温长时性能和良好的工艺性能，但由于铬含量较低,在60
2、0以上时抗氧化能力较差，因而也不能完全适应亚临界及以上参数锅炉的要求。目前在以上锅炉过热器高温段广泛使用TP347H 等奥氏体不锈耐热钢。北方某电厂高温过热器材质为TP347H奥氏体不锈钢，在累计运行时间不到1000小时内，相继发生4次爆管事故，造成了巨大的经济损失。本文采用各种分析测试手段对爆管样品进行分析，寻找其破坏的原因。1 实验1.1宏观分析爆管部位图1 爆管现场照片过热器开裂位置均在弯头内弧，周向开裂，如图1所示。对裂纹取样观察，发现外壁裂纹比内壁裂纹长；裂纹打开后发现可见断口较为平整，无明显塑性变形，从断裂纹路的指向可以看出断裂的起源区、扩展区和终端区，源区位于外壁，裂纹由外壁向内
3、壁发展。断口较为平整，属于脆性断裂，无明显塑性变形。断口表面有一定量垢层；弯管内外表面无裂纹、折叠、轧折、结疤等表面缺陷，无鼓包、胀粗等超温现象。1.2 断口形貌图2(a)为裂纹的金相图片，从图中爆裂管子金相组织为奥氏体，晶界有少数碳化物聚集，晶粒较均匀，未见异常。裂纹均为沿晶裂纹。图2(b)为断口的电镜扫描图，未见明显疲劳断裂特征。自168试运行通过后，累计运行时间不到500小时，故可排除长期运行过热的可能性，爆口也不具备短时超温爆口的特征。(a) (b)图2裂纹和短口的形貌图1.3 金相分析(a) (b) (c)图3过热器管截面不同区域金相组织图(a)内弧面；(b)中性面；(c)外弧面.从
4、图中可以看出，金相组织图为奥氏体沿晶分布的碳化物，晶粒度3.5级，观察到明显的孪晶和滑移线，证明管子弯管后未经固溶处理。晶粒度符合设计要求。1.4成分分析表1 TP347H过热器管化学成分(%)CSiCrSNiNbASME SA213-920.080.7517.0-20.00.0309.00-13.0/高过管TP347H.0.0590.4917.200.0239.950.77从表1中可以看出，管子的材质符合ASME SA213-92标准对TP347H新钢管化学成分的要求。1.5硬度试验硬度从物理意义上讲是材料本征结合力的度量。某种程度上可以反映材料微结构的变化，是材料力学性能表征的一项重要指标
5、。本次硬度试验采用HXS-1000A显微硬度仪进行测量，加载载荷100g,保载时间10s，每个样品上测量16点，测试方向从高温过热器管道的内弧面到外弧面。从图4中可以看出，爆管样品硬度呈现明显的马鞍形状，分布不均匀。内弧硬度较高，从内弧面向中性面方向逐步下降。在中性面时硬度比较均匀，到外弧面后硬度再次上升。图4爆管试样从内弧到外弧的硬度分布图1.6 力学性能实验表2 常温拉伸试验结果试样编号截面尺寸(mm)Rm（MPa）平均值1176.236176102277.0604ASTM-SA213-TP347H515根据GB228/T-2002 金属材料室温拉伸试验方法对样管的常温力学性能进行测试，结
6、果如表2所示。从表中可以看出，割下的管道的抗拉强度均符合ASTM A213标准对新SA213-TP347H钢管的性能要求，测试结果证明力学性能合格。1.7晶间腐蚀试验图5 晶间腐蚀后弯曲破坏照片依据GB4334.5-90不锈钢硫酸、硫酸铜腐蚀试验方法对直管加工试样进行晶间腐蚀试验。每个样品从中间破开，分别对内弧面和外弧面进行试验，弯曲约45有裂纹产生，晶间腐蚀比较明显。试验后试样如图5所示，所有试样皆有肉眼所见裂纹，晶间腐蚀严重。1.8 电镜分析为了进一步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分析。从图32中可以看出，爆管试样晶界析出大量的碳化物，碳化物以Cr和Nb的碳化
7、物为主。这是SA213-TP347H材料在使用过程中由于温度作用导致Cr和Nb元素往晶界迁移导致的结果。(a) (b)图 6 晶间腐蚀样品的扫描电镜和能谱分析2 结果与讨论经过对爆管试样进行金相组织观察、断口形貌分析、常温力学性能、晶间腐蚀试验、晶界碳化物能谱分析等相关工作，试验结果表明爆管样品的金相组织、常温拉伸性能均满足要求，滑移线的存在表明材料内部位错密度增大，位错在滑移过程中交割的机会越多，相互间的阻力就越大，位错便越易在晶体中塞积,促使硬度增加。爆管边缘微观存在滑移线及显微硬度偏高，均说明高过管弯管变形后未进行固溶处理。晶间腐蚀试验表明爆管样品存在严重的晶间腐蚀问题。众所周知，TP3
8、47H为18-8奥氏体不锈钢，不锈钢中含有的碳与铬形成复杂的不稳定的间隙碳化物Cr23C6，Cr23C6与铁的亲和力较强，容易形成(Cr，Fe)23C6，当从高温降到低温时形成过饱和固溶体。在敏化处理温度(400-850)再加热时，碳化物是不稳定的，要沿晶粒间界优先析出，当温度低于650时，晶间的碳化铬在晶界面上形成连续的片状，导致晶间腐蚀的发生。这是由于在奥氏体中C和Cr的扩散系数不一样而引起的。由于碳向晶粒间界的扩散较铬要快，碳化物沉淀出来后，在晶粒间界及其临近区域的铬由于在晶粒间界的沉淀而形成贫铬区，当铬的含量降低到12%以下时，在腐蚀介质作用下，在钢的内部形成沿晶界的电池腐蚀。高温过热
9、器管工作温度在600左右，刚好在最明感的敏化温度范围之内，经扫描电镜能谱分析表明固溶使用过的样管晶界碳化物以Cr和Nb的碳化物为主。证明发生了Cr元素的迁移导致在晶界上形成Cr23C6，弱化晶界。在弯管残余应力、热应力、蒸汽压力等相叠加造成内弯头外表面出现较大的轴向拉应力，在晶间腐蚀和拉应力的共同作用下，导致弯管内弧侧产生周向沿晶裂纹，最终使裂纹从内弯头的外壁向内壁扩展导致开裂。3 结论综合以上分析，爆管的性质为材料未按规定固溶处理导致在使用时TP347H材料敏化，导致碳化铬在晶界上析出使晶界弱化。当腐蚀介质存在时，在弯管残余应力、热应力、蒸汽压力等相叠加造成轴向拉应力共同作用下，使内弯头外表面出现较大拉应力，使材料发生沿晶开裂，导致爆管。参考文献1 王荣炳滨，18-8型不锈钢的晶间腐蚀，上海钢研J，2003，2：19-20
