TP347H奥氏体不锈钢锅炉管开裂原因分析

TP347H 奥氏体不锈钢锅炉管开裂原因分析
郑坊平，张红军，高磊，刘森
(西安热工研究院有限公司，陕西西安710032)
摘要：通过宏观检查、化学成分分析、金相检验、硬度试验、断口分析及能谱分析等方法，对某电厂超临界锅炉末级再热器奥氏体不锈钢管的开裂原因进行了分析。

结果表明：TP347H异径管的横向开裂是在材质处于敏化状态、管子晶界受损的条件下，应力集中薄弱部位受轴向工作应力、弯矩和一定的焊接残余应力，发生了由外壁向内壁扩展的沿晶应力腐蚀开裂。

关键词：奥氏体不锈钢；材质敏化；沿晶应力腐蚀；横向开裂
中图分类号：TG142.71；TG115.2 文献标识码：A 文章编号：1001-3814(2014)21-0225-04 Cracking Cause Analysis for TP347H Austenitic Stainless Steel Boiler Tube
ZHENG Fangping，ZHANG Hongjun，GAO Lei，L IU Shen
(Thermal Power Research Institute, Xi'an 710032, China)
Ab st r act：B y visual testing,chem ical com position analysis,m etallographic exam ination,hardness testing,fracture analysis and energy spectrum analysis,the cracking causes for austenitic stainless steel of finishing reheater in supercritical boiler were analyzed.The results show that the transverse crack of TP347H reducer is intergranular stress corrosion cracking, which is from outside wall into inside wall,when the m aterial is in the sensitized state and the tube grain boundary dam ages, and the stress concentration part has the axial working stress,bending m om ent and welding residual stress.
Key w ords：austenitic s tainless s teel; m aterial s ensitization; i ntergranular s tress c orrosion; t ransverse c racking
某电厂1台锅炉系SG-2141/25.4-M978型、一次中间再热、四角切圆燃烧的660MW超临界压力直流锅炉。

过热蒸汽出口温度为571℃，压力为25.4
MPa；再热蒸汽出口温度为569℃，压力为4.78 MPa。

末级再热器共有35屏，每屏19圈管顺流呈
“U”型布置。

2013年1月，末级再热器出口段大罩壳内炉后数第2根异径管大头端的焊接接头附近发生开裂泄漏，后经现场检验，又发现约30根管子(每屏炉后数第2根或第3根)在相同泄漏位置存在横向裂纹。

异径管和大头端接管材料均为TP347H，大头端的接管规格为准63.5mm×4m m，小头端的接管规格为准54m m×4.5m m，材料为T91。

该锅炉自2011年投产至2013年1月末再泄漏停炉检修，已累计运行约11200h。

为查找末再TP347H异径管大头端的焊接接头附近位置开裂原因，对1根开裂管样进行了试验分析和开裂原因综合分析。

收稿日期:2014-02-07
作者简介:郑坊平(1980- ),男,高级工程师,硕士,从事电厂金属设备检验和部件失效分析;电话************;
E-mail:*******************1 试验分析及其结果
1.1 宏观检查
管样外壁经渗透检测后的形貌如图1(a)所示，可看到异径管大头端焊接接头附近位置存在横向裂纹。

经测量，裂纹长约55m m。

后经解剖发现，管样已裂透，内壁横向开裂长度约为外壁的一半。

从图1(b) 的纵截面金相试样可以看到，开裂位置在内壁削薄区域的R角附近，距熔合线约5mm。

对异径管的大头端部和小头端部分别进行外径测量，外径分别为63.54、54.42m m，对比接管的公称规格，未见胀粗。

1.2 化学成分分析
在开裂异径管样上取粉末样进行化学成分分析，结果见表1。

可见Nb元素含量略低于ASME SA-213/SA-213M-2010[1]对TP347H钢要求的下限值，依据GB5310-2008[2]考虑Nb元素的允许偏差(±
0.05%)后，管样的化学成分合格。

1.3 金相检验
在管样的未开裂位置和开裂位置处各加工1个纵截面的焊接接头金相试样(分别记为A、B)，经粗、细磨、抛光、浸蚀后在ZEISS L SM700型激光共聚焦扫描显微镜下进行金相分析，并依据GB/T
开裂位置焊缝
直管侧
异径管侧
裂纹焊缝
(a )异径管侧母材(b)异径管侧熔合线(右为母材)
100μm100μm
(c)焊缝(d)接管侧熔合线(左为母材)
100μm100μm
(e)接管侧母材
图2金相试样A的显微组织
Fig.2M etallographic structure
of sam ple A
100μm
100μm200μm100μm
(a) 渗透检测后的开裂管样形貌(b) 纵截面金相试样的形貌
图 1 开裂样品宏观形貌
Fig.1 Morphology of crack samples
表1管样化学成分分析结果(质量分数，%) Tab.1
Result s of chemica l composition of sample s (wt%)
6394- 2002 [3] 对试样母材进行晶粒度评级，ASME
SA-213/SA-213M-2010 对TP347H 钢晶粒度要求为
不细于7级，GB5310-2008对与TP347H钢相近牌号
的07Cr18Ni11Nb钢的晶粒度要求为4~7级。

两试样
的显微组织特征如图2、3所示。

金相分析结果表明：异
径管侧母材的显微组织为奥氏体+孪晶+第二相析出
物，平均晶粒度为4级；接管侧母材的显微组织为奥氏
体+第二相析出物，平均晶粒度为6~7级；焊缝两侧均
存在明显的焊缝金属和母材金属的分界线，焊缝金属
的显微组织未见异常。

异径管侧开裂位置处(主裂纹)的
外壁、壁厚中部和内壁均存在沿晶的二次裂纹，主裂纹
中存在明显的灰色腐蚀产物。

1.4 硬度试验
依据GB/T4340.1-2009[4]在VICKERS452SVD 型
维氏硬度计上对A、B两金相试样按图4所示位置进
行维氏硬度测试，加载10kg，保持10s，结果见表2。

ASME SA-213/SA-213M-2010 对TP347H 新钢
管的硬度要求为不超过200 HV，未规定下限值；
(a) 外壁的主裂纹和二次裂纹形貌(b) 内壁的主裂纹和二次裂纹形貌(c) 壁厚中部的主裂纹和二次裂纹形貌
图 3 金相试样 B 开裂位置附近的裂纹形貌
Fig.3 Crack morphology of sample B
150 μm
图 4 金相试样维氏硬度试验位置示意图
Fig.4 Sketch map of vicker hardness test at metallographic
specimen
DL /T 438-2009[5]资料附录 C 对 TP347H 新钢管的硬 度要求为 140~192 HB ，依据 EN ISO 18265-2003[6] 转
换为 147~200 HV ；DL /T 869-2012[7]要求焊缝的硬度 不超过母材布氏硬度值加 100 HBW ，且不应低于母 材硬度的 90%。

结果表明：焊接接头的两侧熔合线、焊缝金属、 直管侧母材及远离熔合线的异径管母材的硬度均正 常，符合相关标准要求；试样开裂位置附近的硬度高 达 249 HV ，这同管子开裂时发生的形变硬化有关。

表 2 维氏硬度试验结果(HV10)
Tab.2 Results of vicker hardness test (HV10)
1.5 断口分析
断裂面的宏观形貌如图 5 所示。

由图可见，断裂 面较平齐，断口表面存在较厚的氧化物。

断口经清洗后在 Fei Qua nta 400HV 型扫描电镜 下对其微观形貌进行观察分析，发现断口表面大部分 区域仍有氧化垢层附着，在局部位置可观察到明显的 沿晶开裂形貌，为典型的脆断特征，见图 6 所示。

表 3 裂纹附近位置的元素成分能谱分析结果(质量分数，%)
Tab.3 Energy spectrum analysis results of location near crack
图 5 断口宏观形貌 Fig.5 Macro-appearance of
fracture 图 6 断口微观形貌
Fig.6 Microstructure of
fracture
1.6 腐蚀产物和析出相的能谱分析
在扫描电镜及 EDAX 能谱仪下对 B 金相试样
不同位置的元素成分进行半定量分析。

裂纹附近位 置的氧化腐蚀产物能谱分析结果见表 3。

可见，腐蚀 产物中富含 Cr 、O 、Fe 元素， 其中 Cr 元素含量明显 高于金属基体中的 Cr 含量；大多数腐蚀产物中含有 不等含量的 Cl ，含量最高为 0.88%。

金属基体的晶界和晶界附近位置的析出相能谱 分析结果见表 4。

可见，晶界和晶界附近位置存在较 多的大小不等的析出物， 尺寸较大的析出物主要为
图 7 裂纹中的腐蚀产物成分能谱分析位置
Fig.7 EDS location of corrosion products at crack
表 4 晶界及其附近位置的析出相成分能谱分析结果
(质量分数，%)
Tab.4 Energy spectrum analysis results of location
near grain boundary (wt %)
5 μm
图 8 晶界及其附近位置的析出相成分能谱分析位置
Fig.8 EDS analysis location of precipitated phase at grain
boundary
Nb 块、NbC 及 Cr 元素的碳化物。

2 分析与讨论
材料为 TP347H 的异径管大头端焊接接头异径 管侧距熔合线约 5 mm 的母材 (内壁削薄区域的 R 角附近)处发生由外壁向内壁扩展的横向开裂，管子 未见胀粗，壁厚未见减薄。

基体的力学性能(硬度)正 常。

基体显微组织为奥氏体 + 孪晶 + 滑移线 + 第二 相析出物，除主裂纹外，内壁、外壁及壁厚内部均存 在沿晶裂纹，裂纹中存在明显的腐蚀产物。

腐蚀产物 中富含 Cr 、O 、Fe 元素，还含有不等含量的 Cl 元素， 含量最高为 0.88%。

据上可判断管样的开裂类型为
晶间腐蚀开裂。

普遍性，与该位置的结构有关。

一般情况下，锅炉管 的运行应力主要受环向应力和轴向应力， 前者是后 者的两倍， 若管子仅受此两种应力作用发生开裂应 是纵向开裂。

从现场管子布置结构来看， 异径管的 下部接管(即大头端接管，材料为 TP347H)与密封板 (也称高冠密封结构)焊接固定，异径管的上部接管 (即小头端接管，材料为 T91)向上经 过两次弯管 后
与集箱接管相连，这种结构在锅炉启停温度变化时， 不在同一轴线的热胀 / 冷缩应力会对管子产生一定 的弯矩。

特别是开裂位置(即内壁削薄区域的 R 角附 近)存在几何形状不连续引起的应力集中，这样在轴 向工作应力、 弯矩和一定的焊接残余应力综合作用 下，导致了该部位横向的晶间腐蚀开裂。

3 结论及建议
末级再热器出口段大罩壳内 TP347H 异径管大 头端焊接接头异径管侧熔合线附近位置的横向开裂 是在材质处于敏化状态，管子晶界受损的条件下，应 力集中薄弱部位受轴向工作应力、 弯矩和一定的焊 接残余应力， 发生了由外壁向内壁扩展的沿晶应力 腐蚀开裂。

建议在停炉检修时加强对该位置的焊接 接头的现场检验， 一旦发现表面裂纹缺陷就立即更
换； 新采购的异径管要确认其供货状态和组织性能
谱分析结果相一致。

在腐蚀介质作用下，贫铬区就会 奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀与钢的加热温度和 加热时间有关[8]。

大罩壳内末级再热器出口段的服 役温度在 570 ℃左右，处在 18-8 型奥氏体不锈钢锅 是 削 否符合标准， 同时考虑优化异径管大头端的内壁 薄段结构。

炉管敏化的温度区间(450～800 ℃)内。

在该温度区
参 考文献：
间内，晶界附近的 C 元素因固溶度下降(相对于固溶
[1] AS M E S A-213/S A-213M 2010 Spe cifi cati on for sea ml ess fe rriti c 处理温度)，但仍有较高的迁移能量，率先与晶界附
and austeniti c alloy-ste el boiler superhe ate r and he at-ex ch ang er 近的 Cr 元素结合形成碳化铬的化合物在晶界附近
tubes [S ]〃
[2] GB 5310-2008 高压锅炉用无缝钢管[S]〃 析出；由于 C 原子尺寸小，迁移速度较 Cr 原子快很
[3] GB/T 6394-2002 金属平均晶粒度测定法[S]〃 多，所以远离晶界的 C 不断向晶界附近迁移并与 Cr [4] GB/T 4340.1-2009 金属材料 维氏硬度试验 第 1 部分：试验方法 结合形成碳化铬的化合物在晶界附近析出， 从而造 [S ]〃 成晶界附近贫 Cr ，形成贫 Cr 区。

这与晶界及其附近 [5] DL/T 438-2009 火力发电厂金属技术监督规程[S]〃
位置的析出相中存在较大颗粒的 Cr 的碳化物的能
[6] E N IS O 18265-2003 Met allic M ate rials Co nve rsion of Ha rdn ess Valu es[S]〃
[7] DL/T 869-2012 火力发电厂焊接技术规程[S]
失去耐腐蚀能力，使晶界弱化而产生晶间腐蚀。

[8]
崔雄华，郑坊平，张磊，等〃 供货热处理状态对奥氏体不锈钢 现场无损检测共发现约 30 根管子在相同位置 锅炉管安全运行性能的影响 [J]〃 热 力 发 电 ，2010， 39 (3):
处存在横向裂纹， 这表明该类型的开裂存在较大的
49-52〃。