TP347H奧氏體耐熱鋼廣泛應(yīng)用于火電機(jī)組鍋爐受熱面管。結(jié)合奧氏體耐熱鋼管服役性能和TP347H鋼管爆管失效案例，綜述了TP347H鋼制受熱面管在鍋爐服役運(yùn)行中常見(jiàn)的6種失效機(jī)理，包括晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、組織老化、氧化腐蝕、原始缺陷和馬氏體轉(zhuǎn)變，并介紹了失效特征、分析方法和預(yù)防措施。

1  晶間腐蝕

奧氏體耐熱鋼在火電機(jī)組中的服役溫度一般處于其敏化溫度范圍450~800℃，在此溫度區(qū)間長(zhǎng)期服役后晶界處會(huì)析出Cr23C6相，造成晶界貧鉻并引發(fā)晶間腐蝕。晶間腐蝕是一種局部腐蝕，會(huì)弱化晶界，使材料強(qiáng)度和韌性下降、脆性增加，極小的外力作用便會(huì)導(dǎo)致材料失效，且不易檢查出來(lái)，容易造成設(shè)備的突然損壞，危害性較大。固溶處理、穩(wěn)定化處理、降低殘余應(yīng)力和雜質(zhì)元素在晶界的含量可以提高奧氏體鋼的抗晶間腐蝕性能。固溶處理通過(guò)將碳化物重新固溶于奧氏體中，并將此狀態(tài)保留至室溫來(lái)減小加工所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，減少晶界處鉻的碳化物的析出，從而降低晶間腐蝕傾向。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了火電機(jī)組用奧氏體耐熱鋼管的固溶處理要求。

TP347H鋼彎管冷加工后未進(jìn)行固溶處理或處理工藝不當(dāng)而發(fā)生晶間腐蝕失效的特征主要包括：爆口位置多為沿晶開(kāi)裂；顯微組織中有明顯的孿晶和較多的滑移線，滑移線的存在導(dǎo)致彎管部位的硬度偏高，且內(nèi)弧側(cè)、外弧側(cè)、中性面硬度依次減小；彎管抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高；沿晶界析出大量富鉻碳化物(多為M23C6)導(dǎo)致晶界貧鉻，在殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力和蒸汽內(nèi)壓應(yīng)力等的共同作用下彎管在晶界貧鉻區(qū)發(fā)生開(kāi)裂，并最終導(dǎo)致爆管；爆口大多位于彎管內(nèi)弧側(cè)，這是由于當(dāng)彎管公稱(chēng)外徑一定時(shí)，內(nèi)弧側(cè)、中性面、外弧側(cè)的變形量依次減小，而變形量越大，殘余應(yīng)力和位錯(cuò)密度越大，內(nèi)弧側(cè)較大的殘余應(yīng)力和位錯(cuò)密度促進(jìn)了鉻原子的擴(kuò)散，加快了其與碳元素的結(jié)合，加速了晶間腐蝕。在實(shí)際分析中主要根據(jù)滑移線、晶界析出物和沿晶開(kāi)裂等特征判斷彎管是否進(jìn)行了固溶處理，同時(shí)結(jié)合透射電鏡、能譜分析和貧鉻區(qū)陽(yáng)極極化曲線等，測(cè)定貧鉻程度和貧鉻區(qū)寬度。關(guān)于奧氏體鋼的晶間腐蝕試驗(yàn)，各標(biāo)準(zhǔn)均未做強(qiáng)制性要求，一般由買(mǎi)賣(mài)雙方協(xié)商確定。

2 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是指在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用下引起的開(kāi)裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是一種滯后性失效，應(yīng)力或腐蝕介質(zhì)單獨(dú)作用都不易使材料失效，但兩者共同作用就會(huì)加速材料的失效。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂機(jī)理較多，目前普遍認(rèn)可的有陽(yáng)極溶解機(jī)理和氫脆機(jī)理。

TP347H鋼管發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的特征主要包括：裂紋起源于鋼管表面蝕坑處；主裂紋沿晶擴(kuò)展，并出現(xiàn)分支；裂紋內(nèi)部和尖端存在富含氯和硫元素的析出物；斷裂形式一般為脆性斷裂，無(wú)明顯塑性變形，斷口處有腐蝕產(chǎn)物。TP347H鋼管發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的應(yīng)力主要為殘余拉應(yīng)力。此外，對(duì)于在海邊服役的不銹鋼管，海水也會(huì)成為其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的腐蝕介質(zhì)。因此，預(yù)防TP347H鋼管發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，一方面要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)其進(jìn)行固溶處理，消除或降低殘余應(yīng)力；另一方面要避免產(chǎn)生腐蝕環(huán)境，在鍋爐給水和停爐保養(yǎng)過(guò)程中嚴(yán)格控制水質(zhì)。

3 組織老化

組織老化指材料在高溫運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的造成材料力學(xué)性能下降的組織變化，是火電廠金屬材料常見(jiàn)失效形式之一。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體鋼晶界處析出的第二相數(shù)量增多、尺寸增大，組織發(fā)生老化，當(dāng)服役溫度超過(guò)材料的最高使用溫度時(shí)，組織加速老化。TP347H鋼管因組織老化而失效的形式主要表現(xiàn)為：爆口呈脆性斷裂，邊沿粗鈍，附近有縱向裂紋；開(kāi)裂機(jī)理為蠕變開(kāi)裂，裂紋沿晶擴(kuò)展；組織中存在蠕變孔洞和蠕變裂紋，晶間腐蝕嚴(yán)重，部分三叉晶界處析出塊狀脆性σ相；管壁減薄較少；鋼管向火側(cè)的力學(xué)性能明顯低于背火側(cè)的，甚至低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限值。組織老化的失效機(jī)理為晶界處析出物的增多、粗化使得晶間腐蝕加劇，晶界弱化，晶界處易形成蠕變空洞，隨著服役時(shí)間延長(zhǎng)，大量蠕變孔洞擴(kuò)展、連接形成蠕變裂紋，蠕變裂紋繼續(xù)擴(kuò)展形成宏觀裂紋，最終造成鋼管失效。當(dāng)服役溫度遠(yuǎn)高于材料的最高使用溫度時(shí)，晶界處析出σ相，導(dǎo)致材料脆化傾向增大，加速失效過(guò)程。

由于材料組織老化的速率與溫度密切相關(guān)，因此電廠受熱面管均會(huì)加裝溫度測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)控運(yùn)行過(guò)程中鋼管的壁溫情況，防止超溫情況發(fā)生。然而查閱部分長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱鋼管的壁溫曲線數(shù)據(jù)，均顯示鋼管未超溫，其原因主要包含以下幾個(gè)方面：一是爐膛和大包內(nèi)存在溫度差異，鍋爐大包內(nèi)的溫度測(cè)試值不能真實(shí)反映爐膛內(nèi)鋼管的實(shí)際運(yùn)行壁溫，金屬管壁的當(dāng)量運(yùn)行溫度可以利用公式結(jié)合氧化皮厚度進(jìn)行計(jì)算，但大部分是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，即認(rèn)為爐膛內(nèi)鋼管的溫度一般高于大包內(nèi)30~50℃，然而有研究指出，根據(jù)受熱面管熱負(fù)荷的不同，爐內(nèi)和外管平均溫差可達(dá)88℃，可見(jiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)爐膛內(nèi)鋼管的實(shí)際當(dāng)量運(yùn)行溫度較為困難；二是壁溫測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少或未在受熱面管溫度最高的區(qū)域設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)溫度不是最高溫度；三是測(cè)溫點(diǎn)松動(dòng)、脫焊、安裝不牢固造成測(cè)溫不準(zhǔn)確，且部分電廠測(cè)溫點(diǎn)安裝位置不便于檢查，不能及時(shí)對(duì)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行檢修，導(dǎo)致測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)不準(zhǔn)確。上述情況均可能造成鍋爐受熱面管在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期超溫。

4 氧化腐蝕

奧氏體耐熱鋼管內(nèi)壁在高溫、高壓蒸汽環(huán)境下發(fā)生氧化時(shí)，鉻原子優(yōu)先與氧反應(yīng)生成Cr2O3，然后鐵原子與氧反應(yīng)生成Fe3O4 和Fe2O3，奧氏體鋼氧化皮表層的晶粒結(jié)構(gòu)特性決定了其剝落敏感性高于鐵素體鋼。奧氏體鋼氧化皮的結(jié)構(gòu)主要與材料的原始鉻含量和服役溫度相關(guān)。TP347H鋼的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%，低于奧氏體鋼能形成連續(xù)、穩(wěn)定Cr2O3保護(hù)膜的臨界鉻含量，因此在氧化過(guò)程中不會(huì)形成Cr2O3保護(hù)膜；鋼管內(nèi)表面的鐵原子可直接與氧反應(yīng)生成結(jié)構(gòu)松散的Fe3O4，氧原子可以通過(guò)疏松的氧化膜擴(kuò)散進(jìn)入基體內(nèi)部，使得基體不斷發(fā)生氧化，同時(shí)Fe3O4還會(huì)與Cr2O3反應(yīng)生成尖晶石化合物(Fe,Cr)3O4。TP347H鋼的服役溫度越高，氧化孕育時(shí)間越短，氧化皮生長(zhǎng)速率越快，剝落越早，剝落次數(shù)越多。

TP347H鋼管發(fā)生氧化腐蝕的特征包括：未剝落的氧化皮呈銀灰色，已剝落的呈黑褐色顆粒狀和片狀，手捏易分層且呈粉末狀；氧化皮主要組成元素為鐵和氧，基本不含鉻元素；管壁減薄較多，可承受的內(nèi)壓應(yīng)力減小，強(qiáng)度不足；剝落的氧化皮易在U型管彎頭部位和出口集箱的節(jié)流孔部位堆積、堵塞，使得蒸汽無(wú)法正常流通，從而造成過(guò)熱爆管。奧氏體鋼氧化皮剝落堵塞已成為鍋爐管失效的第二大主要因素。此外，若氧化皮隨著蒸汽介質(zhì)進(jìn)入到主蒸汽管道，極易引起主汽門(mén)、調(diào)門(mén)卡澀，無(wú)法關(guān)閉到位，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全停運(yùn)；若進(jìn)入到汽輪機(jī)內(nèi)部，則會(huì)損傷汽輪機(jī)噴嘴、葉輪和葉片等關(guān)鍵部件；若進(jìn)入凝汽器，則會(huì)污染凝結(jié)水品質(zhì)?？梢?jiàn)處理好鋼管氧化腐蝕問(wèn)題對(duì)于機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要。為解決這一問(wèn)題，可以采用抗蒸汽氧化性能較好的材料來(lái)替代TP347H鋼。此外，還應(yīng)避免鍋爐在啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)以及事故緊急處理期間出現(xiàn)較大負(fù)荷波動(dòng)，防止氧化皮的快速剝落。機(jī)組檢修人員需做到逢停必檢，逢堵必處理，根據(jù)受熱管道彎頭氧化皮堆積程度及時(shí)進(jìn)行清理，防止氧化皮堵塞管道而發(fā)生爆管。TP347H鋼原始晶粒越粗，氧化皮厚度越大，越容易剝落造成管子堵塞而爆管。因此，綜合晶粒度與氧化皮和高溫強(qiáng)度的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017要求TP347H鋼的晶粒度在4~7級(jí)，同一鋼管兩試樣的最大晶粒級(jí)別與最小晶粒級(jí)別相差不超過(guò)3 級(jí)；ASME SA-213標(biāo)準(zhǔn)要求TP347H鋼的晶粒度不超過(guò)7級(jí)。

5 原始缺陷

TP347H鋼管的主要生產(chǎn)工藝為穿孔或擠壓→軋制→固溶處理。在每道次冷軋前，鋼管均需經(jīng)退火、酸洗和潤(rùn)滑等一系列處理，成品鋼管出廠前還需進(jìn)行表面質(zhì)量、幾何尺寸、化學(xué)成分、顯微組織和室溫力學(xué)性能檢驗(yàn)以及壓扁試驗(yàn)、擴(kuò)口試驗(yàn)和晶間腐蝕試驗(yàn)等質(zhì)量檢查。由于生產(chǎn)工序復(fù)雜、流程多，且部分檢驗(yàn)為抽檢，因此部分出廠鋼管不可避免會(huì)存在制造缺陷。同時(shí)鋼管在二次加工成管屏、運(yùn)輸、安裝以及存放的各個(gè)環(huán)節(jié)均可能會(huì)產(chǎn)生缺陷。鋼管服役之前產(chǎn)生的缺陷統(tǒng)稱(chēng)為原始缺陷，常見(jiàn)的原始缺陷包括裂紋、直道、離層、夾雜物、分層、壓痕、內(nèi)外折疊等。在TP347H鋼管運(yùn)行過(guò)程中，原始缺陷會(huì)發(fā)生擴(kuò)展或者誘發(fā)其他缺陷，造成爆管失效，嚴(yán)重危害機(jī)組的安全運(yùn)行，相關(guān)失效案例如表1所示。

表1 TP347H 鋼管常見(jiàn)原始缺陷及產(chǎn)生原因

為避免TP347H鋼管產(chǎn)生原始缺陷，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

(1)對(duì)制造、加工、運(yùn)輸和安裝的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)督和質(zhì)量檢查；

(2)使用單位需做好過(guò)熱器設(shè)備的入庫(kù)質(zhì)量驗(yàn)收，必要時(shí)對(duì)原始管材進(jìn)行渦流探傷檢測(cè)；

(3)嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求存放鋼管，嚴(yán)禁與碳鋼或其他合金鋼混放，避免受到鹽、酸及其他化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，避免接觸地面，吊裝時(shí)應(yīng)避免直接接觸鋼絲繩，以防止其表面保護(hù)膜損壞；

(4)更換鋼管時(shí)，需做好材料確認(rèn)和宏觀檢查，確保更換的鋼管合格無(wú)缺陷。

6 馬氏體轉(zhuǎn)變

TP347H鋼為順磁材料，即無(wú)磁鋼，然而大部分發(fā)生爆管的鋼管經(jīng)常會(huì)帶有磁性或弱磁性。研究人員認(rèn)為奧氏體鋼產(chǎn)生磁性的原因主要有兩種：一是由晶內(nèi)和晶界處的析出相引起，二是奧氏體鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生了磁性。目前的研究結(jié)果更傾向于后者。

奧氏體鋼在變形、應(yīng)力腐蝕和高溫應(yīng)力時(shí)效下均會(huì)產(chǎn)生馬氏體相變，其中形變誘發(fā)馬氏體相變的研究目前較多，也比較成熟，高溫應(yīng)力時(shí)效下的馬氏體相變機(jī)制研究較少。眾多研究表明馬氏體轉(zhuǎn)變會(huì)對(duì)奧氏體鋼的服役性能產(chǎn)生不利影響，然而其具體影響機(jī)制以及是否會(huì)直接導(dǎo)致奧氏體鋼管的失效仍需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

7 結(jié)束語(yǔ)

服役TP347H奧氏體耐熱鋼管存在晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、組織老化、氧化腐蝕、原始缺陷和馬氏體轉(zhuǎn)變等6種失效機(jī)理，然而實(shí)際的失效形式可能是由一種或多種因素共同作用導(dǎo)致的。作為火電機(jī)組受熱面管，其失效一方面要考慮材料本身的失效特性，另一方面要綜合考慮鋼管的服役工況、結(jié)構(gòu)因素和設(shè)計(jì)因素等。目前，TP347H鋼組織中馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)理相關(guān)研究較少，需進(jìn)一步深入研究。在火電機(jī)組頻繁調(diào)峰等新工況下，TP347H鋼管可能會(huì)出現(xiàn)新的失效形式，需要進(jìn)一步分析和積累；此外，通過(guò)表面處理提高TP347H鋼管抗蒸汽氧化性能和疲勞性能的理論研究和實(shí)際應(yīng)用也需要進(jìn)一步開(kāi)展。TP347H鋼管失效機(jī)理研究可以為火電機(jī)組鍋爐受熱面管的選材提供更多技術(shù)支撐和依據(jù)，為服役部件的監(jiān)督檢驗(yàn)提供方向和指導(dǎo)，從而降低鍋爐爆管概率。

引用文獻(xiàn)：

張駿，鄭準(zhǔn)備，楊占君，孫興新，李夢(mèng)陽(yáng)，張建偉.TP347H鍋爐鋼管失效機(jī)理研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料，2021，45（2）：7-14.

zhang J, Zheng Z B, Yang Z J, et al. Research Progress on Failure Mechanisms of TP347H Boiler Steel Tube[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2021, 45（2）：7-14.

DOI：10.11973/jxgccl202102002