奥氏体不锈钢尖峰加热器管泄漏原因分析

奥氏体不锈钢尖峰加热器管泄漏原因分析
王玮洁;李玲
【摘要】通过对某电厂奥氏体不锈钢尖峰加热器泄漏管进行宏观检查、化学成分、力学性能、金相检验、扫描电镜及能谱分析等试验,结合尖峰加热器管在运行中的
特殊工况,对其泄漏原因进行了分析和研究.发现该管泄漏部位的微观裂纹走向呈穿
晶形貌,断口表面形态主要为解理断裂,断口处的腐蚀残留产物中有较高含量的Cl元素,认为泄漏是由于尖峰加热器管在使用环境下介质中携带有害的Cl-,导致钢管在
拉应力作用下产生应力腐蚀开裂,并就如何防止类似事故的发生提出了建议.
【期刊名称】《华北电力技术》
【年(卷),期】2015(000)007
【总页数】5页(P22-26)
【关键词】尖峰加热器管;奥氏体不锈钢;泄漏;应力腐蚀
【作者】王玮洁;李玲
【作者单位】国网冀北电力有限公司电力科学研究院(华北电力科学研究院有限责
任公司),北京100045;国网冀北电力有限公司电力科学研究院(华北电力科学研究院有限责任公司),北京100045
【正文语种】中文
【中图分类】TK414.22;TG115.2
奥氏体不锈钢尖峰加热器管泄漏原因分析
王玮洁，李玲
(国网冀北电力有限公司电力科学研究院(华北电力科学研究院有限责任公司)，北京100045)
摘要:通过对某电厂奥氏体不锈钢尖峰加热器泄漏管进行宏观检查、化学成分、力学性能、金相检验、扫描电镜及能谱分析等试验，结合尖峰加热器管在运行中的特殊工况，对其泄漏原因进行了分析和研究。

发现该管泄漏部位的微观裂纹走向呈穿晶形貌，断口表面形态主要为解理断裂，断口处的腐蚀残留产物中有较高含量的Cl元素，认为泄漏是由于尖峰加热器管在使用环境下介质中携带有害的Cl －，导致钢管在拉应力作用下产生应力腐蚀开裂，并就如何防止类似事故的发生提出了建议。

关键词:尖峰加热器管;奥氏体不锈钢;泄漏;应力腐蚀
中图分类号: TK414.22; TG115.2
文献标识码: B
DOI:10.16308/ki.issn1003-9171.2015.07.005
Analysis on the Leakage of Peak-load Calorifier Tube of Austenitic Stainless Steel
Wang Weijie，Li Ling
(State Grid Jibei Electric Power Co.Ltd.，Research Institute，North China
Electric Power Research Institute Co.Ltd.，Beijing 100045，China)
Abstract: Macroscopic inspection，chemical composition，mechanical property，metallographic examination，scanning electron microscopy (sem) and energy spectrum analysis and test were made for leakage of peak heater of austenitic stainless steel in a power plant with the consideration of the peak heater tube in special working condition in operation，the leakage reasons were analyzed and studied.It was found that the micro crack of the tube leakage parts was transcrystalline morphology，fracture surface morphology mainly was cleavage fracture.Corrosion residual product of the fracture has a higher concentration of Cl element，so the leak is due to the harmful Cl
－carried in medium，resulting in steel pipe stress corrosion cracking under the action of tensile stress.Some suggestions for how to prevent similar accidents were put forward.
Key words: peak-load calorifier tube，austenitic stainless steel，leakage，stress corrosion
0 前言
奥氏体不锈钢是不锈钢家族中最重要的一类，以其优良的机械性能和耐腐蚀性能得以在电站锅炉热交换管中广泛应用，其中Cr-Ni奥氏体不锈钢在电力工业中，特
别是过热器和再热器等高温段管路重要的选用材料，其试验研究和实际运行中均表现十分优良的高温性能。

一些电厂改用奥氏体不锈钢管后，锅炉的安全性明显提高。

但由于在实际使用时，一方面要与各种腐蚀介质相接触，同时又多承受各种不同的
应力，加之其晶体结构和容易产生滑移等原因，因此不锈钢，特别是Cr-Ni奥氏
体不锈钢，在腐蚀破坏中，应力腐蚀破坏最多。

不锈钢应力腐蚀遍及石油、化工、航空、能源、电力等各行业部门。

随着不锈钢产量的增加及使用范围的扩大，不锈钢应力腐蚀开裂的研究日益广泛和深入，对影响不锈钢应力腐蚀的诸多因素，例如:温度、压力、应力水平、不同氯化物体系及浓度、pH值、钢种及热处理工艺、焊接等都有着广泛深入的研究，并取得了相当大的进展。

应力腐蚀开裂系金属在应力和腐蚀介质共同作用下而引起的一种破坏形式。

应力腐蚀开裂是一种腐蚀速度快，破坏严重，且往往在没有产生任何明显的宏观变形、不出现任何预兆的情况下突然发生的脆性断裂。

随着设备服役时间的延长，奥氏体不锈钢管的泄漏事故也时有发生。

本文阐述的是某电厂热水炉尖峰加热器奥氏体不锈钢管发生泄漏事故的案例。

热网尖峰加热器是带尖峰热负荷的，一般为串联运行，负责把基本加热器的120℃左
右的供热出水在加热至150℃左右供出，以满足热负荷需求，换热管外部水蒸汽
来自汽机三段抽汽，温度高达250℃，由于某种原因(锅炉启停保护不当等因素影
响致使干态蒸汽停炉凝结后浓缩、水压试验或其他途径带来的残留物等)氯离子、
氧离子及其他一些氧化性离子进入汽水系统，分解溶出氯等有害物质，如果检测到Cl
－，高温下含有Cl
－的腐蚀介质在换热管表面会局部浓缩，易造成不锈钢发生应力腐蚀。

1 事故情况介绍
据电厂技术人员介绍，该热网尖峰加热器由济南市压力容器厂生产，为
BEM1600-776-2.0/1.5型单层卧式，布置在热水炉厂房东侧4 m平台，利用生产抽汽将换热管内来自主厂房的热水从110℃加热至135℃，在减少启动热水炉(投
用燃油费用高、有大气污染)的前提下确保供热。

换热管外面加热用的蒸汽通过热
网尖峰加热器放热后，形成疏水，通过调速疏水泵回到主厂房高压除氧器。

该设备于2005年开始投产运行，运行至今此热水炉尖峰加热器管曾多次发生泄漏，管体多处开裂。

换热管材质为0Cr18Ni9，规格D20× 1 mm。

厂方提供的尖峰加热器管主要运行数据:设计压力(壳程/管程) 1.5/2.0 MPa，工作压力(壳程/管程)
0.8/1.9 MPa，加热蒸汽温度250℃，循环水(冷却水)中悬浮物≤0.41 mg/L，SiO 2含量为4 125 μg/L，溶氧量≤7 μg/L，管子外侧介质为水蒸汽，内侧介质为冷却水。

为查出泄漏原因，对厂方送检的2根发生泄漏的尖峰加热器取样管(编号分别为1
号和2 号)，进行宏观检查、化学成分分析、金相检验、力学性能试验、扫描电镜
及能谱分析等试验。

结果证实，不锈钢管的开裂是由氯化物应力腐蚀造成的。

2 试验内容及结果
2.1宏观形貌分析
泄漏尖峰加热器取样管1号和2号换热管的腐蚀形态、裂纹宏观形貌如图1～4所示。

可见泄漏管体上有树枝状走向的较浅裂纹(如图1、2所示)和点蚀痕迹(如图3、4所示)。

裂纹外观曲折分岔，部分主裂纹旁丛生许多网状裂纹，宏观裂纹的表面
走向主要以横向为主。

同时管子外壁有棕黑色腐蚀产物以及大量的腐蚀坑存在。

裂纹就起源于管子外壁的点蚀坑处，裂纹附近没有看到塑性变形，断口呈锯齿状，其宏观特征呈典型的脆性断裂。

图1 1号管取样裂纹宏观形貌
图2 2号管取样裂纹宏观形貌
图3 1号管裂纹处蚀坑痕迹
图4 2号管裂纹处蚀坑痕迹
表1 失效管化学成分与标准规定值对照表wt%
2.2化学成分分析
0Cr18Ni9钢是在Cr含量为18%，Ni含量为9%的18-8型不锈钢的成分基础上
发展演变的钢种。

该钢是不锈钢的主体钢种，其产量约占不锈钢总产量的30%以上。

0Cr18Ni9钢的奥氏体结构赋予了它的良好冷、热加工性能、无磁性，
0Cr18Ni9钢薄截面尺寸的焊接件具有足够的耐晶间腐蚀能力，在氧化性酸(HNO 3)中具有优良的耐蚀性，在碱溶液和大部分有机酸和无机酸中以及大气、水、蒸汽中耐蚀性亦佳。

0Cr18Ni9钢的良好性能，使其成为应用量最大、使用范围最广的不锈钢牌号，此钢适用于制造冲成型的部件以及输送腐蚀介质管道、容器、
结构件等。

本次送检的奥氏体不锈钢尖峰加热器管的材质为0Cr18Ni9，对泄漏的尖峰加热器奥氏体不锈钢管进行化学分析以确定各合金元素成分，其检验结果如表1所示。

根据国家标准GB/T 1220—2007《不锈钢棒》，试样的化学成分符合0Cr18Ni9
不锈钢牌号的要求。

2.3力学性能试验
在开裂的尖峰加热器奥氏体不锈钢管上取样进行室温力学性能试验，其检验结果如表2所示，根据国家标准GB/T 1220—2007《不锈钢棒》，所检力学性能指标均符合0Cr18Ni9不锈钢牌号的要求。

2.4金相检验
对取样管进行金相试验，剖开2号管子上的裂纹横截面，观察管子内外壁，其金
相组织特征，如图5所示。

抛光试样经王水腐蚀后，在金相显微镜下观察，发现
裂纹发展均为穿晶型，裂缝穿过奥氏体晶粒，未发现晶间腐蚀迹象;由管子外壁向
内壁扩展，裂纹具有分叉多、尾部尖锐、呈树枝状的特征。

裂纹分叉时，分叉小裂缝与主裂缝呈一定方向扩展。

从裂纹的微观走向和典型的分岔形态，裂纹的形成和扩展具有不锈钢应力腐蚀裂纹的典型特征。

图5 2号管裂纹的微观走向
2.5扫描电镜及能谱分析
截取有裂缝的试样，将其沿裂缝方向折断，折断后的断裂面断口形貌如图6所示，断口表面微观形态主要为解理断裂，在断口上可观察到明显的解理台阶和扇形花样。

解理面上有腐蚀产物存在，并有腐蚀坑道。

断口条纹较模糊，说明断裂面受腐蚀的作用。

对泄漏的热水炉尖峰加热器0Cr18Ni9不锈钢管裂纹处断口做能谱分析实验。

能谱处各元素的含量如图7所示。

从裂纹处断口能谱分析结果显示，断口处的腐蚀残留产物中有较高含量的Cl
－，此处发生了Cl
－的富集，表明有蒸汽品质异常或局部腐蚀介质浓缩。

这也证明了
0Cr18Ni9不锈钢管的泄漏是由于蒸汽中含有较高的Cl
－造成的应力腐蚀破坏。

3 综合分析
上述分析结果表明:该热水炉尖峰加热器管采用的不锈钢化学成分和力学性能均符合国标GB/T 1220—2007《不锈钢棒》中0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的规定，显微组织显示为奥氏体，可以推断钢管使用状态为固溶态，符合设计要求。

表2 0Cr18Ni9钢的室温力学性能
图6 管子开裂处的解理断裂形貌
图7 管子开裂处断口的能谱分析
泄漏尖峰加热器取样管宏观形貌特征显示，管子泄漏处多处存在腐蚀坑，管体上出现大量的树枝状及网状裂纹，并且在腐蚀坑及裂纹处有残留的腐蚀产物。

裂纹就起源于管子外壁的腐蚀坑处，裂纹附近没有看到塑性变形，断口呈锯齿状，具有典型的脆性断裂特征。

泄漏管裂纹取样微观金相组织特征表明，0Cr18Ni9不锈钢管在奥氏体组织上多处出现裂纹，裂纹源附近有多个腐蚀坑，裂纹在扩展过程中出现小的分支，分支裂纹尖端较尖锐，裂纹走向呈穿晶形貌。

从裂纹的微观走向和典型的分岔形态，裂纹的形成和扩展具有不锈钢应力腐蚀裂纹的典型特征。

从泄漏管体裂纹处断口能谱分析结果显示，断口表面微观形态主要为解理断裂，在断口上可观察到明显的解理台阶和扇形花样;断口处的腐蚀残留产物中有较高含量的Cl
－，腐蚀性成分主要来源于汽侧含有Cl
－的水蒸汽中，由于尖峰加热器换热管的蒸汽介质有一定的温度(250℃)，在使用中钢管表面的水膜不断蒸发，含有Cl
－的腐蚀介质在换热管表面会浓缩富集，加速了腐蚀发生的速率，致使钢管在承受拉应力的部位产生应力腐蚀开裂。

尖峰加热器换热管在运行中管程压力为1.9 MPa，壳程的蒸汽压力为0.8 MPa，管、壳程间压力差的存在，使管子产生内压，所以在管壁上存在周向的拉应力，这正好与换热管裂纹扩展方向(由外向内)相垂直。

应力腐蚀的开裂方向一般与应力作用方向垂直，并呈树枝状扩展，微观裂纹多为穿晶扩展，而宏观裂纹的表面走向主要以横向为主，恰与管壁上周向的拉应力方向一致，裂纹扩展方向附近存在大量的
腐蚀坑，在腐蚀坑和裂纹中均检测到较高的Cl
－含量，而氯化物是0Cr18Ni9奥氏体不锈钢的应力腐蚀敏感介质。

应力腐蚀破裂的机理，一般认为是腐蚀环境中金属表面生成的保护膜在拉应力的作用下产生滑移，使钝化膜破裂，形成蚀孔和裂纹源。

金属内部产生了一条狭窄的活性通道，随后在拉应力的作用下，活性通道前端的钝化膜反复破裂，产生裂纹，裂纹沿着垂直于拉应力作用的方向前进(扩展)，在裂纹尖端由于是闭塞区产生了氢，部分氢就可能扩散到尖端金属内部引起脆化，在拉应力作用下发生脆性断裂。

裂纹也随之在腐蚀和脆断的反复作用下迅速扩大，造成纵深裂纹，直至发生断裂。

在奥氏体不锈钢-氯离子环境中，溶液中的氧促进了奥氏体不锈钢的全面钝化，形成致
密的Cr
2O
3钝态膜，保护金属免受腐蚀，但是由于某种原因氯离子进入汽水系统，将会形成特定的腐蚀环境，破坏局部钝化，同时进入裂缝尖端，在闭塞区生成盐酸，使腐蚀加速。

氯化物与奥氏体不锈钢正是一种能够产生应力腐蚀开裂的腐蚀介质-敏感材料，含
Cl
－介质中的奥氏体不锈钢材料在拉应力作用下，容易产生应力腐蚀开裂。

奥氏体不锈钢应力腐蚀的3个基本要素是:腐蚀性介质、敏感的材料和拉应力。

尖
峰加热器换热管的泄漏现象符合应力腐蚀的3个基本要素特点，是较为典型的应
力腐蚀开裂。

4 结论
因此，认为该热水炉尖峰加热器奥氏体不锈钢管的泄漏是由于在使用环境下汽水品质不佳，蒸汽介质中携带有害的Cl
－，Cl
－在钢管表面的浓缩富集，导致钢管在承受拉应力的部位产生应力腐蚀开裂，致使钢管失效泄漏。

5 建议
由于应力腐蚀是起源于管外侧，因此钢管外侧的环境十分重要，尽量避免含氯盐在钢管表面浓缩沉积是很必要的。

但由于水蒸汽中的氯盐在钢管表面沉积是不可避免的，同时降低设备的运行温度同样也是做不到的。

在这种情况下建议电厂研究安全和经济的奥氏体不锈钢锅炉管的清洗方法和工艺。

一般而言，要满足工艺要求，介质条件很难改变，如水中的氯离子问题，一方面水处理去除氯离子需较高的成本;另一方面，即使水中的氯离子含量降到很低，仍存在浓缩积聚的问题，因此控制介质也受到很大限制。

防止运行中奥氏体不锈钢锅炉管的应力腐蚀开裂，最切实有效的方法还是采用抗应力腐蚀不锈钢，如采用高镍稳定型奥氏体不锈钢00Cr25Ni20 (Nb)、00Cr20Ni18Mo6CuN、00Cr27Ni31Mo3C等和双相不锈钢
00Cr22Ni5Mo3N、00Cr18Ni5Mo3Si2 (3RE60)、00Cr18Ni5Mo3Si2Nb、
00Cr26Ni6Ti，以及超纯铁素体不锈钢Cr30Mo2(00Cr30Mo2)等，以提高钢管抵抗应力腐蚀的能力。

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收稿日期:2015-03-10
作者简介:王玮洁(1982—)，女，理化检验工程师。

2007年毕业于北京理工大学材料学专业硕士研究生，任职于华北电力科学研究院金属所，主要从事电厂金属设备的理化检验和失效分析工作。

(本文编辑徐伟婷)。