奧氏體不銹鋼過熱器管漏泄原因分析

近年來，由于國內(nèi)能源供氧量不足，許多電廠的實際燃料與設(shè)計不一致，鍋爐的燃燒特性發(fā)生了變化。例如，200mw以上無論是否配備了12trlmov和鋼102等材料的加熱管道，研究表明，徑向平面的膨脹和質(zhì)量惡化加速了問題，嚴(yán)重影響了發(fā)電公司的安全運(yùn)行。因此，它被稱為高度加熱強(qiáng)度和良好耐氧cr-ni的不銹鋼管，但cr-ni-cr-ni相軸上的腐蝕趨勢明顯。此外，管道的供應(yīng)是一種敏感的狀態(tài)。隨著服務(wù)時間的延長，一些捐贈者不銹鋼管的泄漏事故也頻繁發(fā)生。據(jù)研究，沿晶體的應(yīng)力侵蝕是漏水的主要原因。2005年10月某電廠3號鍋爐分隔屏過熱器管漏泄事故具有一定的代表性,以其為例對此類漏泄的特征和產(chǎn)生原因進(jìn)行分析研究,提出建議。某電廠3號鍋爐是哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-1025/17.5-HM5型亞臨界壓力自然循環(huán)一次中間再熱鍋爐。1998年12月安裝,2000年6月投入生產(chǎn)試運(yùn)行。2005年10月8日19:28,在運(yùn)行期間“四管漏泄”在線監(jiān)視系統(tǒng)報警,機(jī)組于次日21:53解列,停爐檢查發(fā)現(xiàn)分隔屏左至右數(shù)第1大屏,前至后數(shù)第3小屏最外圈下部管爐后彎管開裂漏泄,造成外至內(nèi)數(shù)第2圈相鄰部位被吹傷減薄爆裂。漏泄處管材質(zhì)為TP304(0Cr19Ni9),規(guī)格為ue001φ51mm×6mm。下面對開裂原因作以分析。1漏泄點(diǎn)周邊管路特征分析首先對漏泄管進(jìn)行了宏觀分析,用目視和放大鏡仔細(xì)檢查漏泄點(diǎn)附近管材的宏觀特征,其后將沿圖1中A、B線切開,取下微觀分析試樣,對其不同區(qū)域(見圖2)進(jìn)行電子探針分析和金相分析。2試驗結(jié)果2.1周邊區(qū)域吹傷部位以外管子沿縱向漏泄,漏泄點(diǎn)位于彎頭中性線偏外弧側(cè),長度約20mm,管徑無明顯脹粗,內(nèi)外壁氧化皮不厚,附近區(qū)域(吹傷部位除外)管子外壁顏色黑亮,外表黑亮表征該處管材溫度較高。切開后發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁有未裂透裂紋,主裂紋總長約200mm。觀察管內(nèi)壁,發(fā)現(xiàn)裂紋主體沿縱向擴(kuò)展,有分支,其周圍約20mm寬的區(qū)域內(nèi)還分布許多與主裂紋方向平行的未連通小裂紋和小點(diǎn)蝕坑,點(diǎn)蝕坑多且淺而大,該區(qū)域與外壁的黑亮區(qū)域?qū)?yīng),見圖1。2.2漏泄管的合金成分在漏泄管上取樣進(jìn)行元素成分分析,分析結(jié)果見表1。由元素分析結(jié)果可以看出,漏泄管的合金成分符合我國國家標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐、熱交換器用不銹無縫鋼管》(GB13296—1991)和美國機(jī)械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐、過熱器及熱交換器用無縫鐵素體和奧氏體鋼管》(ASMESA213—1995)的要求。2.3元素與原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)用電子探針測試漏泄處、基體處(對應(yīng)于圖2中D、C區(qū)域)管子Cr、Fe、Cl的元素與原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2。從表2可以看出,管內(nèi)壁存在Cl-,漏泄處有明顯的Cl-聚集,而且Cr/Fe比值較高,具有典型的沿晶應(yīng)力腐蝕特征。2.4點(diǎn)蝕和點(diǎn)蝕坑下微裂紋試樣經(jīng)磨制、拋光侵蝕后在光學(xué)金相顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁點(diǎn)蝕坑下存在大量的網(wǎng)格狀微裂紋,裂紋內(nèi)無腐蝕產(chǎn)物。有沿晶網(wǎng)狀腐蝕和晶粒脫落,未發(fā)生點(diǎn)蝕處內(nèi)壁組織狀態(tài)完好;有的點(diǎn)蝕坑下有裂紋,說明點(diǎn)蝕已成為裂紋源。主裂紋以縱向為主,周圍晶粒脫落多,基體組織中晶粒大小不均,細(xì)晶粒較多,見圖3。3點(diǎn)腐蝕及沿晶應(yīng)力腐蝕漏泄管內(nèi)壁氧化皮去除后,發(fā)現(xiàn)有許多大而淺的點(diǎn)蝕坑,表明管材已發(fā)生了點(diǎn)腐蝕,點(diǎn)腐蝕在制造或運(yùn)行期間均可能發(fā)生。斷面金相組織還表明,晶間網(wǎng)狀裂紋是發(fā)生在點(diǎn)蝕坑的下面,說明點(diǎn)蝕坑是裂紋源。表面有鈍化膜或保護(hù)膜的金屬,尤其是奧氏體不銹鋼,在侵蝕性陰離子(如氯離子)與氧化劑(如氧離子)共存的介質(zhì)中易發(fā)生點(diǎn)蝕及沿晶應(yīng)力腐蝕。在正常的運(yùn)行條件下,分隔屏過熱器管內(nèi)壁會形成致密的Cr2O3鈍態(tài)膜,保護(hù)內(nèi)部金屬免受腐蝕,但是,由于某種原因(鍋爐啟停保護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊懼率垢蓱B(tài)蒸汽停爐凝結(jié)后濃縮、水壓試驗或其他途徑帶來的殘留物等)氯離子、氧離子及其他一些氧化性離子進(jìn)入汽水系統(tǒng),將會形成特定的腐蝕環(huán)境,Cr2O3鈍態(tài)膜會在上述離子的共同作用下被破壞,即發(fā)生了受熱面管內(nèi)表面的點(diǎn)腐蝕及沿晶應(yīng)力腐蝕。一般情況下,管子內(nèi)表面殘留物越多,管壁溫度越高,介質(zhì)濃縮越大,則腐蝕越嚴(yán)重。漏泄管內(nèi)表面主裂紋周圍分布眾多未連通的小裂紋和小點(diǎn)蝕坑的區(qū)域與外壁的黑亮高溫區(qū)域相對應(yīng),該區(qū)域管材溫度高與管子內(nèi)表面狀態(tài)不好有關(guān),漏泄處管子出列,局部煙氣流速大等原因也可能導(dǎo)致此種情況的發(fā)生。應(yīng)力及加工變形也是引發(fā)管材破壞的重要因素。鍋爐正常運(yùn)行時,過熱器管承受的內(nèi)壓約為17.50MPa,由此引起的管子內(nèi)壁周向應(yīng)力是縱向應(yīng)力的2倍。同時作用在管子上的應(yīng)力還有:生產(chǎn)過程中的冷拔、固溶處理和校直的殘余應(yīng)力;制造和安裝中彎管和焊接及焊后熱處理后的殘余應(yīng)力;運(yùn)行中煙氣沖擊、管排振動產(chǎn)生的應(yīng)力;鍋爐啟停過程中的熱應(yīng)力等。而加工變形使奧氏體鋼管材的位錯密度增大,表面處于敏化狀態(tài),在運(yùn)行中易發(fā)生點(diǎn)蝕。內(nèi)表面的點(diǎn)蝕坑、微裂紋具有裂縫微區(qū)環(huán)境效應(yīng),腐蝕介質(zhì)進(jìn)入裂縫后很難被汽水帶走,在應(yīng)力的作用下使遭到腐蝕破壞的晶界分開,應(yīng)力腐蝕裂紋由此萌生。這些應(yīng)力的疊加效果是造成晶間應(yīng)力腐蝕縱向裂紋的應(yīng)力因素,在表面點(diǎn)蝕坑處引發(fā)應(yīng)力腐蝕。在100℃時TP304不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕需要的Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5×10-2以上,但在300℃時質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-4Cl-的水就很容易使鋼管發(fā)生開裂,隨著溫度的升高該臨界濃度將更低。另外,即使Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低,低于10-6,但只要溶解氧的含量足夠大,敏化的不銹鋼仍會發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕破裂。漏泄的分隔屏過熱器管材已經(jīng)受到了Cl-和氧離子的侵蝕;同時,金相分析結(jié)果表明,漏泄管組織中存在大量的細(xì)晶粒,使其局部的腐蝕敏感性增大,為點(diǎn)腐蝕的發(fā)生提供了條件。Cr18-Ni8系列奧氏體不銹鋼成熟已久,是目前使用最廣泛的不銹鋼,但該材料存在500~800℃溫度下長期服役時易發(fā)生晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕的問題,而運(yùn)行期間分隔屏過熱器管壁溫度正好在此范圍之內(nèi),所有這些均為沿晶應(yīng)力腐蝕的發(fā)生提供了條件。由于發(fā)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的根本原因富Cr碳化物在晶界大量析出造成晶界弱化,目前較為方便和通用的補(bǔ)救辦法是降低材料的碳含量或者加入穩(wěn)定的碳化物形成元素Ti和Nb,促進(jìn)析出特殊碳化物,消除晶間貧Cr區(qū)。4強(qiáng)化對鋼管進(jìn)行及其變形的監(jiān)督檢測分隔屏過熱器管漏泄原因是管材發(fā)生了沿晶應(yīng)力腐蝕,沿晶應(yīng)力腐蝕的發(fā)生是介質(zhì)、應(yīng)力、溫度和加工變形量聯(lián)合作用的結(jié)果。針對以上結(jié)論,提出如下建議。a.選擇時機(jī)檢查類似位置的受熱面管是否存在出列現(xiàn)象,并檢查其外表面狀態(tài),發(fā)現(xiàn)出列及有黑亮高溫區(qū)域的管子應(yīng)及時處理,防止再次漏泄;b.校核化學(xué)專業(yè)的氯、氧元素監(jiān)視表計,保證其監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確;c.加強(qiáng)鍋爐給水和運(yùn)行操作的管理及控制,檢修停爐期間采取必要的