分享：TP347H 锅炉钢管失效机理研究进展

张 骏,郑准备,杨占君,孙兴新,李梦阳,张建伟 (中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院,西安 710021) 摘 要:TP347H 奥氏体耐热钢广泛应用于火电机组锅炉受热面管。结合奥氏体耐热钢管服役 性能和 TP347H 钢管爆管失效案例,综述了 TP347H 钢制受热面管在锅炉服役运行中常见的6种 失效机理,包括晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、组织老化、氧化腐蚀、原始缺陷和马氏体转变,并介绍了失 效特征、分析方法和预防措施。 

关键词:火电机组;奥氏体耐热钢;TP347H 钢;失效分析;失效机理 中图分类号:TG142.25 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)02-0007-08 

0 引 言

TP347H 钢 (国 产 牌 号 07Cr18Ni11Nb)是 在 18Cr-10Ni合金钢的基础上添加稳定化元素铌(质 量分数约0.8%),并经固溶处理(热轧钢管固溶处 理温度不低于1050 ℃,冷拔钢管固溶处理温度不 低于1095 ℃)后,具有 NbC 型第二相析出强化基 体以及 良 好 弯 曲 和 焊 接 性 能 的 粗 晶 奥 氏 体 耐 热 钢[1-3]。DL/T715-2015和 TSGG0001-2012标准 均推荐 TP347H 钢用于烟气侧壁温不高于670 ℃的 过热器和再热器管。目前,该钢主要用于亚临界锅 炉高温过热器和再热器管以及超(超)临界锅炉高温 过热器、高温再热器的低温段和屏过管段。 TP347H 钢是 ASMESA-213标准中的成熟钢 种,具有较高的许用应力和蠕变断裂强度[4-5]。20 世纪80年代初,我国引进美国 CE 公司的300 MW 和600 MW 机组,在锅炉受热面管上首次使 用 了 TP347H 钢[6],迄今为止该材料已有40多a的使用 历史,是18Cr-8Ni系奥氏体耐热钢中使用较多的材 料之一。作者通过对奥氏体耐热钢管服役性能以及 TP347H 钢管爆管失效案例进行总结和分析,综述 了 TP347H 钢制受热面管在锅炉服役运行中常见 的6种失效机理,包括晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、组 织老化、氧化腐蚀、原始缺陷和马氏体转变,以期为 TP347H 失效爆管原因分析提供参考依据。通过认 识材料失效机制,研究人员能够采取有针对性的措 施以避免或减少失效事故的发生。 

1 晶间腐蚀

 奥氏体耐热钢在火电机组中的服役温度一般处 于其敏化温度范围450~800℃,在此温度区间长期 7 张 骏,等:TP347H 锅炉钢管失效机理研究进展 服役后晶界处会析出 Cr23C6 相,造成晶界贫铬并引 发晶间腐蚀。晶间腐蚀是一种局部腐蚀,会弱化晶 界,使材料强度和韧性下降、脆性增加,极小的外力 作用便会导致材料失效,且不易检查出来,容易造成 设备的突然损坏,危害性较大[7-8]。固溶处理、稳定 化处理、降低残余应力和杂质元素在晶界的含量可 以提高奥氏体钢的抗晶间腐蚀性能[9-10]。固溶处理 通过将碳化物重新固溶于奥氏体中,并将此状态保 留至室温来减小加工所产生的残余应力,减少晶界 处铬的碳化物的析出,从而降低晶间腐蚀倾向。相 关标准均规定了火电机组用奥氏体耐热钢管的固溶 处理要求。DL/T939-2016标准要求奥氏体耐热 钢管冷弯后,当弯曲半径小于2.5倍外径时应进行 固溶处 理。ASME BPVC-I-2017 中 PG-19 条 规 定:当 TP347H 钢管设计壁温在540~675 ℃时,管 外径D0>89mm,允许的冷加工应变在15%以下, D0≤89mm,允许的冷加工应变在20%以下;当设 计壁温高于675 ℃时,允许的冷加工应变在10%以 下;超过各允许变形量时均需进行固溶处理,且固溶 处理温度不低于1095 ℃。 TP347H 钢弯管冷加工后未进行固溶处理或处 理工艺不当而发生晶间腐蚀失效的特征[11-18]主要 包括:爆口位置多为沿晶开裂;显微组织中有明显的 孪晶和较多的滑移线,滑移线的存在导致弯管部位 的硬度偏高,且内弧侧、外弧侧、中性面硬度依次减 小;弯管抗拉强度和屈服强度较高;沿晶界析出大量 富铬碳化物(多为 M23C6)导致晶界贫铬,在残余应 力、热应力和蒸汽内压应力等的共同作用下弯管在 晶界贫铬区发生开裂,并最终导致爆管;爆口大多位 于弯管内弧侧,这是由于当弯管公称外径一定时,内 弧侧、中性面、外弧侧的变形量依次减小,而变形量 越大,残余应力和位错密度越大,内弧侧较大的残余 应力和位错密度促进了铬原子的扩散,加快了其与 碳元素的结合,加速了晶间腐蚀。在实际分析中主 要根据滑移线、晶界析出物和沿晶开裂等特征判断 弯管是否进行了固溶处理,同时结合透射电镜、能谱 分析和贫铬区阳极极化曲线等[8,19],测定贫铬程度 和贫铬区宽度。 关于奥氏体钢的晶间腐蚀试验,各标准均未做强 制性要求,一般由买卖双方协商确定。根据 GB/T 4334-2008 标 准 中 的 E 方 法 对 服 役 运 行 后 的 TP347H 钢管进行晶间腐蚀试验发现,无论是国产 钢管还是进口钢管均会发生弯曲并出现裂纹,如某 运行4个月的钢管实际检查结果良好,但在晶间腐 蚀试验后产生了晶间裂纹。由此可知,该试验结果 仅能表明钢管的晶间腐蚀倾向,与其在运行中是否 产生晶 间 腐 蚀 裂 纹 无 必 然 联 系,故 DL/T438- 2019标准取消了奥氏体不锈钢管应做晶间腐蚀试 验的规定[20]。

 2 应力腐蚀开裂

 应力腐蚀开裂是指在应力和腐蚀环境共同作用 下引起的开裂,应力一般为远低于材料屈服强度的 拉应力,包括热应力、冷热加工引起的残余应力等; 腐蚀 介 质 主 要 为 氯 化 物 水 溶 液、H2S 水 溶 液 和 NaOH 水溶液等,这些介质的腐蚀性较弱。应力腐 蚀开裂是一种滞后性失效,以上应力或腐蚀介质单 独作用都不易使材料失效,但两者共同作用就会加 速材料的失效。应力腐蚀开裂机理较多,目前普遍 认可的有阳极溶解机理[21]和氢脆机理[22]。氢脆机 理认为金属在腐蚀介质中首先沿晶界形成脆而薄的 钝化膜,在拉应力作用下,钝化膜沿着与应力垂直的 方向张开,此时腐蚀介质进入裂纹尖端,裸露的金属 再次钝化,裂纹尖端沿晶界形成新的钝化膜;该过程 不断重复,裂纹沿晶界扩展,最终导致材料开裂。 TP347H 钢管发生应力腐蚀开裂的特征[23-28]主 要包括:裂纹起源于钢管表面蚀坑处;主裂纹沿晶扩 展,并出现分支;裂纹内部和尖端存在富含氯和硫元 素的析出物;断裂形式一般为脆性断裂,无明显塑性 变形,断口处有腐蚀产物。TP347H 钢管发生应力 腐蚀开裂的应力主要为残余拉应力,腐蚀介质可能 源自酸洗过程中清洗剂带入的 Cl - ,以及锅炉给水 系统因水质控制不当引起的 S 2- 和 Na + 超标。此 外,对于在海边服役的不锈钢管,海水也会成为其发 生应力腐蚀开裂的腐蚀介质。因此,预防 TP347H 钢管发生应力腐蚀开裂,一方面要严格按照标准要 求对其进行固溶处理,消除或降低残余应力;另一方 面要避免产生腐蚀环境,在锅炉给水和停炉保养过 程中严格 控 制 水 质,保 证 进 入 系 统 的 Cl - ,S 2- 和 Na + 含量符合标准要求,对奥氏体钢管酸洗前要割 管进行应力腐蚀试验,对已经发生敏化的钢管,不能 使用含有 Cl - 的清洗剂[29-30]。

 3 组织老化 

组织老化指材料在高温运行过程中发生的造成 材料力学性能下降的组织变化,是火电厂金属材料 8 张 骏,等:TP347H 锅炉钢管失效机理研究进展 常见失效形式之一。随着服役时间的延长,奥氏体 钢晶界处析出的第二相数量增多、尺寸增大,组织发 生老化,当服役温度超过材料的最高使用温度时,组 织加速老化。TP347H 钢管因组织老化而失效的形 式主要表现[31-34]为:爆口呈脆性断裂,边沿粗钝,附 近有纵向裂纹;开裂机理为蠕变开裂,裂纹沿晶扩 展;组织中存在蠕变孔洞和蠕变裂纹,晶间腐蚀严 重,部分三叉晶界处析出块状脆性σ相;管壁减薄较 少;钢管向火侧的力学性能明显低于背火侧的,甚至 低于标准要求下限值。组织老化的失效机理为晶界 处析出物的增多、粗化使得晶间腐蚀加剧,晶界弱 化,晶界处易形成蠕变空洞,随着服役时间延长,大 量蠕变孔洞扩展、连接形成蠕变裂纹,蠕变裂纹继续 扩展形成宏观裂纹,最终造成钢管失效。当服役温 度远高于材料的最高使用温度时,晶界处析出σ相, 导致材料脆化倾向增大,加速失效过程。 由于材料组织老化的速率与温度密切相关,因 此电厂受热面管均会加装温度测点,以监控运行过 程中钢管的壁温情况,防止超温情况发生。然而查 阅部分长时过热钢管的壁温曲线数据,均显示钢管 未超温,其原因主要包含以下几个方面:一是炉膛和 大包内存在温度差异,锅炉大包内的温度测试值不 能真实反映炉膛内钢管的实际运行壁温,金属管壁 的当量运行温度可以利用 Laborelec或 Aptech公式 结合氧化皮厚度进行计算,但大部分是根据经验,即 认为炉膛内钢管的温度一般高于大包内30~50 ℃, 然而有研究指出,根据受热面管热负荷的不同,炉内 和外管平均温差可达88 ℃ [35-36],可见准确监测炉 膛内钢管的实际当量运行温度较为困难;二是壁温 测点数量较少或未在受热面管温度最高的区域设置 测温点,导致测点温度不是最高温度;三是测温点松 动、脱焊、安装不牢固造成测温不准确,且部分电厂 测温点安装位置不便于检查,不能及时对测温点进 行检修,导致测温数据不准确。上述情况均可能造 成锅炉受热面管在运行过程中长期超温。

 4 氧化腐蚀 

奥氏体耐热钢管内壁在高温、高压蒸汽环境下 发生氧化时,铬原子优先与氧反应生成 Cr2O3,然后 铁原子与氧反应生成 Fe3O4 和 Fe2O3,奥氏体钢氧 化皮表层的晶粒结构特性(TP347H 钢的线膨胀系 数为1.7×10 -5~1.9×10 -5 K -1,氧化皮的线膨胀 系数为9.1×10 -6 K -1)决定了其剥落敏感性高于铁 素体钢[37]。奥氏体钢氧化皮的结构主要与材料的 原始铬含量和服役温度相关。TP347H 钢的铬质量 分数 为 19%,低 于 奥 氏 体 钢 能 形 成 连 续、稳 定 Cr2O3 保护膜的临界铬含量[38-40],因此在氧化过程 中不会形成 Cr2O3 保护膜;钢管内表面的铁原子可 直接与氧反应生成结构松散的 Fe3O4,氧原子可以 通过疏松的氧化膜扩散进入基体内部,使得基体不 断发生氧化,同时 Fe3O4 还会与 Cr2O3 反应生成尖 晶石化合物(Fe,Cr)3O4。TP347H 钢的服役温度 越高,氧化孕育时间越短,氧化皮生长速率越快,剥 落越早,剥落次数越多。 TP347H 钢管发生氧化腐蚀的特征[41-42]包括: 未剥落的氧化皮呈银灰色,已剥落的呈黑褐色颗粒 状和片状,手捏易分层且呈粉末状;氧化皮主要组成 元素为铁和氧,基本不含铬元素;管壁减薄较多,可 承受的内压应力减小,强度不足;剥落的氧化皮易在 U 型管弯头部位和出口集箱的节流孔部位堆积、堵 塞,使得蒸汽无法正常流通,从而造成过热爆管。奥 氏体钢氧化皮剥落堵塞已成为锅炉管失效的第二大 主要因素[43-44]。此外,若氧化皮随着蒸汽介质进入 到主蒸汽管道,极易引起主汽门、调门卡涩,无法关 闭到位,严重威胁机组的安全停运;若进入到汽轮机 内部,则会损伤汽轮机喷嘴、叶轮和叶片等关键部 件;若进入凝汽器,则会污染凝结水品质。可见处理 好钢管氧化腐蚀问题对于机组的安全运行至关重 要。为解决这一问题,可以采用抗蒸汽氧化性能较 好的 材 料 来 替 代 TP347H 钢。 日 本 住 友 公 司 在 TP347H 钢的基础上开发出了细晶 TP347FHG 钢, 其抗蒸汽氧化性能大幅提高。此外,还应避免锅炉 在启动、运行、停机以及事故紧急处理期间出现较大 负荷波动,防止氧化皮的快速剥落。机组检修人员 需做到逢停必检,逢堵必处理,根据受热管道弯头氧 化皮堆积程度及时进行清理,防止氧化皮堵塞管道 而发生爆管。TP347H 钢原始晶粒越粗,氧化皮厚 度越大[45],越容 易 剥 落 造 成 管 子 堵 塞 而 爆 管。因 此,综合晶粒度与氧化皮和高温强度的关系,标准 GB/T5310-2017要求 TP347H 钢的晶粒度在4~ 7级,同一钢管两试样的最大晶粒级别与最小晶粒 级别 相 差 不 超 过 3 级;ASME SA-213 标 准 要 求 TP347H 钢的晶粒度不超过7 级。 

5 原始缺陷

 TP347H 钢管的主要生产工艺为穿孔或挤压→ 9 张 骏,等:TP347H 锅炉钢管失效机理研究进展 轧制→固溶处理。在每道次冷轧前,钢管均需经退 火、酸洗和润滑等一系列处理,成品钢管出厂前还 需进行表 面 质 量、几 何 尺 寸、化 学 成 分、显 微 组 织 和室温力学 性 能 检 验 以 及 压 扁 试 验、扩 口 试 验 和 晶间腐蚀 试 验 等 质 量 检 查。由 于 生 产 工 序 复 杂、 流程多,且部分检验为抽检,因此部分出厂钢管不 可避免会存在制造缺陷[46-48]。同时钢管在二次加 工成管屏、运输、安装以及存放的各个环节均可能 会产生缺陷。钢管服役之前产生的缺陷统称为原 始缺陷,常见的原始缺陷包括裂纹、直道、离层、夹 杂物、分层、压 痕、内 外 折 叠 等。在 TP347H 钢 管 运行过程中,原 始 缺 陷 会 发 生 扩 展 或 者 诱 发 其 他 缺陷,造成 爆 管 失 效,严 重 危 害 机 组 的 安 全 运 行, 相关失效案例如表1所示。 表1 TP347H 钢管常见原始缺陷及产生原因 Table1 CommonoriginaldefectsandtheircausesofTP347Hsteeltube 缺陷名称 产生原因 失效案例 直道 轧制温度较低,穿孔顶头或顶杆粘连金属而划伤内表面 某电厂锅炉三级过热器运行3万 h后由于管内壁存在直道缺 陷而发生爆管失效 离层 原材料中存在非金属夹杂物、残余缩孔和疏松等 某电厂后屏过热器夹持管内壁因存在离层缺陷而发生泄漏 裂纹 原材料中硬而脆的析出相或杂质化合物在冷轧过程中不能与 基体协调变形;夹杂物的存在破坏了基体的连续性,当变形量 较大或应变速率较高时即形成微裂纹[49-50] 某厂 TP347H 钢管因存在原始显微裂纹而发生早期失效[51] 夹杂物 固溶态 TP347H 钢中随 机 分 布 有 尺 寸 粗 大 的 一 次 NbC 析 出 相[52];出厂检验时未能发现冶炼或制造过程中生成的非金属 夹杂物 某厂机组仅运行700h,就由于氮化物和硼化物使得高温再热 器发生爆管[53];钢坯热轧 穿 孔 过 程 中,非 金 属 夹 杂 物 处 形 成 “鼓包”缺陷[54]。 为避免 TP347H 钢管产生原始缺陷,应注意以 下几个方面:(1)对制造、加工、运输和安装的各个环 节进行严格的监督和质量检查;(2)使用单位需做好 过热器设备的入库质量验收,必要时对原始管材进 行涡流探伤检测;(3)严格按照有关标准要求存放钢 管,严禁与碳钢或其他合金钢混放,避免受到盐、酸 及其他化学物质的腐蚀,避免接触地面,吊装时应避 免直接接触钢丝绳,以防止其表面保护膜损坏;(4) 更换钢管时,需做好材料确认和宏观检查,确保更换 的钢管合格无缺陷。

 6 马氏体转变 

TP347H 钢为顺磁材料,即无磁钢,然而大部分 发生爆管的钢管经常会带有磁性或弱磁性。研究人 员认为奥氏体钢产生磁性的原因主要有两种:一是 由晶内和晶界处的析出相引起,二是奥氏体钢发生 马氏体转变而产生了磁性。目前的研究结果更倾向 于后者,例如某运行71031h和96000h发生爆管的 TP347H 钢管试样中均存在板条状马氏体组织,其沿 着原奥氏体晶界形成并向晶内延伸,且试样均有明显 的磁滞现象,呈弱磁性,磁化强度、剩磁和矫顽力较明 显。而奥氏体钢的磁滞回线为直线,呈顺磁性,无磁 滞现象,磁化强度、剩磁和矫顽力均较低。 奥氏体钢在变形[55-56]、应力腐蚀[57]和高温应力 时效[58-60]下均会产生马氏体相变,其中形变诱发马 氏体相变的研究目前较多,也比较成熟,高温应力时 效下的马氏体相变机制研究较少。史志刚等[60]研 究了失效 S30432 奥氏体钢管的马氏体组织,认为 其形成机制为随着运行时间的延长,奥氏体钢中含 铬第二相大量析出导致晶界贫铬,马氏体开始转变 温度随铬含量的降低而升高,当贫铬区的马氏体转 变温度升高到室温以上时,钢管在冷却到室温的过 程中形成马氏体组织。然而该机制未得到一致认 可。由于马氏体组织的存在,S30432钢的室温脆化 倾向明显,冲击断裂模式为沿着马氏体组织紧邻晶 界区域的沿晶断裂[61]。方智等[62]研究认为:马氏 体组织的形成过程是体积膨胀的过程,马氏体使奥 氏体晶粒向两侧推移并在马氏体晶粒之间形成空 洞,造成晶界强度下降;马氏体的腐蚀电位较奥氏体 的低,在含有马氏体组织的奥氏体钢中,奥氏体为阴 极,马氏体为阳极,马氏体优先溶解,导致材料的抗 腐蚀能力降低。由于奥氏体钢无磁性,而管内氧化 皮具有强磁性,因此通常采用磁性法来检测奥氏体 钢管内壁的氧化皮,但磁性马氏体组织的存在会对 氧化皮检测产生干扰[63]。以上研究表明马氏体转 变会对奥氏体钢的服役性能产生不利影响,然而其 具体影响机制以及是否会直接导致奥氏体钢管的失 效仍需进一步研究验证。 10 张 骏,等:TP347H 锅炉钢管失效机理研究进展 

7 结束语

 服役 TP347H 奥氏体耐热钢管存在晶间腐蚀、 应力腐蚀开裂、组织老化、氧化腐蚀、原始缺陷和马 氏体转变等6种失效机理,然而实际的失效形式可 能是由一种或多种因素共同作用导致的。作为火电 机组受热面管,其失效一方面要考虑材料本身的失 效特性,另一方面要综合考虑钢管的服役工况、结构 因素和设计因素等。目前,TP347H 钢组织中马氏 体转变机理相关研究较少,需进一步深入研究。在 火电机组频繁调峰等新工况下,TP347H 钢管可能 会出现新的失效形式,需要进一步分析和积累;此 外,通过表面处理提高 TP347H 钢管抗蒸汽氧化性 能和疲劳性能的理论研究和实际应用也需要进一步 开展。TP347H 钢管失效机理研究可以为火电机组 锅炉受热面管的选材提供更多技术支撑和依据,为 服役部件的监督检验提供方向和指导,从而降低锅 炉爆管概率。 

来源：材料与测试网