采用宏觀分析結(jié)合理化試驗(yàn)對(duì)某火力發(fā)電廠超臨界機(jī)組鍋爐主給水壓力取樣管進(jìn)行了宏觀觀察分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相試驗(yàn)和斷口微觀形貌分析，綜合分析認(rèn)為，送檢的主給水壓力取樣管開裂是由于管子所使用的鋼材中 Ti 和 Ni 元素含量偏低，降低了管子耐晶間腐蝕的能力。同時(shí) S 元素含量高，大大增加鋼的熱脆性，降低鋼的抗腐蝕能力。從而使管子在長(zhǎng)期的高溫高壓、應(yīng)力以及環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的作用下，在管子最薄弱的彎頭外背弧部位外壁開始萌生晶間腐蝕裂紋，最終由于晶間腐蝕裂紋的逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致開裂失效。本文針對(duì)鍋爐主給水壓力取樣管開裂失效進(jìn)行原因分析，提出了預(yù)防措施。
2021 年 6 月 ，某火力發(fā)電廠聯(lián)合某電力設(shè)備研究院對(duì)開裂失效的主給水壓力取樣管進(jìn)行失效分析。送檢樣品外觀形貌如圖 1 所示，管子材質(zhì)為 1Cr18Ni9Ti，管子工作溫度為 400 ℃，工作壓力為 26 MPa。主給水取樣管送檢樣品是一段中間無焊接接頭的管子，中間為直管段，兩端各有一個(gè)彎管段，如圖 1（a）所示。直管段外形完整，彎管段有一端開裂，裂紋如圖 1（b）所示。
圖 1 （a）送檢主給水壓力取樣管樣品全貌以及（b）開裂處局部形貌
宏觀觀察分析
火花源原子發(fā)射光譜分析
布氏硬度試驗(yàn)
金屬顯微組織檢驗(yàn)
斷口的 SEM+EDS 分析
試驗(yàn)方法
1）GB/T14203-2016《火花放電原子發(fā)射光譜分析法通則》
2）GB/T14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》
3）GB/T230.1-2004《金屬洛氏硬度試驗(yàn) 第 1 部分：試驗(yàn)方法》
4）GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第 1 部分：室溫試驗(yàn)方法
5）GB/T 10561-2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》
6）GB/T 6394-2017 《金屬平均晶粒測(cè)定方法》
對(duì)送檢主給水壓力取樣管樣品進(jìn)行線切割取樣，具體取樣位置如圖 2 所示。其中拉伸和成分試樣在圖 2（a）所示直管段截取，金相及斷口試樣在圖 2（b），彎管開裂處截取。
圖 2 送檢試樣取樣位置示意圖
從圖 1（b）可以看出，裂口位于彎頭外背弧中線位置，裂口最大張口約 12mm，裂口邊沿未見明顯減薄，裂口兩端尖銳。樣品表面呈灰黑色。
采用德國(guó) Foundry Master 臺(tái)式真空火花發(fā)射光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果如表 1 所示。檢測(cè)結(jié)果將與 GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中 1Cr18Ni9Ti鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分進(jìn)行對(duì)比分析。
檢測(cè)結(jié)果表明：與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相比，送檢的主給水壓力取樣管的 S 含量是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限值的兩倍，同時(shí) Ti 和 Ni 元素的含量偏低，其他元素均符合 GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中 1Cr18Ni9Ti 鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分要求。
表 1 材料化學(xué)成分分析結(jié)果
檢測(cè)項(xiàng)目 | 化學(xué)成分 | ||
方法/產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) | GB/T 14203-2016/ GB/T 14976-2012 | ||
化學(xué)成分wt.% | 項(xiàng)目參數(shù) | 標(biāo)準(zhǔn)要求1Cr18Ni9Ti | 檢測(cè)結(jié)果 (平均值) |
Fe | Bal. | 70.8 | |
C | 0.12 | 0.0848 | |
Si | 1.00 | 0.723 | |
Mn | 2.00 | 1.72 | |
P | 0.035 | 0.0320 | |
S | 0.030 | 0.0635 | |
Cr | 17.00~19.00 | 18.0 | |
Mo | -- | 0.183 | |
Ni | 8.00~11.00 | 7.30 | |
Al | -- | 0.0750 | |
Co | -- | 0.0972 | |
Cu | -- | 0.496 | |
Nb | -- | 0.0426 | |
Ti | 5(C-0.02)~0.80 | 0.198 | |
V | -- | 0.0923 | |
W | -- | 0.0352 | |
單項(xiàng)判定 | / | 不符合 | |
備注 | S、Ni、Ti 元素含量不符合標(biāo)準(zhǔn) | ||
注：標(biāo)中標(biāo)準(zhǔn)成分除標(biāo)明范圍及特殊說明外，均表示最大含量
依據(jù) GB/T 230.1-2018《金屬洛氏硬度試驗(yàn) 第 1 部分：試驗(yàn)方法》，采用 HRD-150 型洛氏硬度計(jì)對(duì)送檢的主給水壓力取樣管試樣進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試。測(cè)試條件為金剛石圓錐壓頭， 載荷 150 kg，保壓時(shí)間為 10 s。由于 GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定鋼管的硬度要求，參考 GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》標(biāo)準(zhǔn)中 1Cr18Ni9Ti 鋼的硬度標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求如表 2 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：送檢主給水壓力取樣管硬度平均值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
表 2 主給水壓力取樣管硬度測(cè)試結(jié)果
序號(hào) | 1 | 2 | 3 | 平均值/HRB | 參考標(biāo)準(zhǔn)值 /HRB |
外壁硬度值 /HRB | 28 | 27 | 27 | 27 | ≤90 |
內(nèi)壁硬度值 /HRB | 50.0 | 51.0 | 49.1 | 50.0 | ≤90 |
根據(jù) GB/T 228.1 - 2010《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》，在圖 2（a）所示紅色矩形區(qū)域制取拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示，與 GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中要求的 1Cr18Ni9Ti 鋼的力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比，可以看出，送檢試樣直管段的拉伸性能符合 1Cr18Ni9Ti 鋼的技術(shù)要求。
表 3 主給水壓力取樣管拉伸性能測(cè)試結(jié)果
根據(jù) GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，采用 Leica-DMI5000 金相顯微鏡，對(duì)送檢主給水壓力取樣管金相試樣進(jìn)行非金屬夾雜物等級(jí)評(píng)定、晶粒度評(píng)定和金相組織分析。
裂紋附近區(qū)域管橫截面和外表面金相試樣（試樣示意圖如圖 3 所示）的拋光態(tài)如圖 4 所示。根據(jù) GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，采用Leica-DMI5000 金相顯微鏡對(duì)送檢主給水壓力取樣管金相試樣（拋光態(tài)）進(jìn)行材料冶金質(zhì)量分析。
測(cè)試結(jié)果顯示，裂紋附近區(qū)域存在少量的非金屬夾雜物。通過與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖比較后，圖4（a）中夾雜物判定為 D 類 1.5 級(jí)細(xì)系環(huán)狀氧化物；圖 4（b）中夾雜物判定為 D 類 1 級(jí)細(xì)系環(huán)狀氧化物。未觀察到其他類型非金屬夾雜物。判定結(jié)果總結(jié)如表 4 所示。
圖 3 金相試樣示意圖
圖 4 夾雜物：(a) 開裂區(qū)附近管橫截面；(b) 開裂區(qū)附近管外表面
表 4 主給水壓力取樣管非金屬夾雜物判定結(jié)果
此外，在裂口端部附近的管子外表面觀察到晶間腐蝕裂紋，裂紋從管外壁表面沿晶界向內(nèi)壁方向擴(kuò)展，并有晶粒脫落，如圖 5 所示。
圖 5 靠近裂紋端管橫截面邊緣（a）和靠近裂紋端管外表面邊緣（b）
對(duì)拋光態(tài)金相試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕劑為王水（硝酸：鹽酸 = 1：3），根據(jù) GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度評(píng)定》對(duì)腐蝕態(tài)金相試樣進(jìn)行晶粒度等級(jí)評(píng)定。圖 6 為經(jīng)腐蝕后試樣的金相組織。1Cr18Ni9Ti 為含 Ti 的不銹鋼，基體組織為細(xì)小的奧氏體晶粒。如圖 6（a）和（c） 所示為管橫截面和外表面的金相組織，白色細(xì)小晶粒為奧氏體晶粒，部分呈孿晶分布。與標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖比較后，晶粒度評(píng)定為 9.5 級(jí)。
圖 6 裂紋附近金相組織：(a) 管橫截面；(b) 管外表面
1Cr18Ni9Ti 為含 Ti 奧氏體不銹鋼，基體組織為奧氏體。金相試樣經(jīng)拋光后，用王水（硝酸：鹽酸 = 1：3）腐蝕后的金相組織如圖 7 所示，可以觀察到白色的奧氏體晶粒，其中部分奧氏體晶粒內(nèi)有孿晶出現(xiàn)。同時(shí)在奧氏體基體上，可以觀察到黑色的點(diǎn)狀物，這些為環(huán)狀氧化物。這些環(huán)狀氧化物彌散分布在基體上。
圖 7 裂紋附近管外表面金相
采用配有能譜儀的荷蘭 Quanta 200 型環(huán)境掃描電子顯微鏡，對(duì)經(jīng)過清洗后的圖 8 所示的斷口表面不同區(qū)域進(jìn)行微觀形貌觀察，并分析其微區(qū)化學(xué)成分。圖 9 為管外壁表面的 SEM 照片，可以看出管外壁表面有腐蝕凹坑。可以看出斷口表面確實(shí)有氧化腐蝕， 這與 SEM 觀察的結(jié)果相一致。
圖8 開裂處截取試樣示意圖
圖 9 靠近外壁斷口表面SEM 照片
化學(xué)成分檢測(cè)發(fā)現(xiàn)送檢的主給水壓力取樣管的 S 含量是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限值的兩倍，同時(shí) Ti 和 Ni 元素的含量偏低。Ti 元素的含量對(duì)不銹鋼的耐腐蝕性能有著重要的影響。在焊接或者長(zhǎng)期加熱的情況下，鉻的碳化物(Cr23C6)會(huì)從奧氏體中析出，使晶界附近基體呈現(xiàn)貧 Cr區(qū)，貧 Cr 區(qū)的耐腐蝕性較差，這可能會(huì)引起晶間腐蝕。而 Ti 元素與 C 元素的結(jié)合力更強(qiáng)優(yōu)先形成 TiC，可防止 Cr 的碳化物析出，加強(qiáng)不銹鋼耐晶間腐蝕能力。因此，Ti 元素含量偏低可降低不銹鋼耐晶間腐蝕的能力。Ni 可促進(jìn)不銹鋼鈍化膜的穩(wěn)定性，提高不銹鋼的熱力學(xué)穩(wěn)定性。因此，Ni 含量偏低對(duì)不銹鋼耐蝕性也是不利的。而 S 元素含量高會(huì)大大增加鋼的熱脆性，降低鋼的抗腐蝕能力。
硬度檢測(cè)結(jié)果顯示，送檢主給水壓力取樣管的實(shí)測(cè)硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
金相發(fā)現(xiàn)裂口端部附近的管子外表面有晶間腐蝕裂紋，裂紋從管外壁表面沿晶界向內(nèi)壁方向擴(kuò)展，并有晶粒脫落。
斷口 SEM+EDS 分析顯示，斷口表面有氧化腐蝕現(xiàn)象。
綜合以上各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果及分析，送檢主給水壓力取樣管的開裂是由于管子所使用的鋼材中 Ti 和 Ni 元素含量偏低，降低了管子耐晶間腐蝕的能力。同時(shí) S 元素含量高，大大增加鋼的熱脆性，降低鋼的抗腐蝕能力。從而使管子在長(zhǎng)期的高溫高壓、應(yīng)力以及環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的作用下，在管子最薄弱的彎頭外背弧部位外壁開始萌生晶間腐蝕裂紋，最終由于晶間腐蝕裂紋的逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致開裂失效。
建議對(duì)同一臺(tái)鍋爐的主給水壓力取樣管所有管段進(jìn)行光譜分析，以排除錯(cuò)用材質(zhì)的隱患，若該鍋爐同期建設(shè)的不止一臺(tái)，則建議對(duì)同期建設(shè)的其它鍋爐的主給水壓力取樣管也進(jìn)行光譜分析，以排除錯(cuò)用材質(zhì)的隱患。
[收稿日期]2022年4月1日；[作者簡(jiǎn)介]蔡永江（1967—），男，主要從事火力發(fā)電廠金屬監(jiān)督及部件失效分析技術(shù)工作。
