1、.TP304H和TP347H奧氏體不銹鋼服役狀態(tài)變化及晶間腐蝕原因分析羅小剛 大唐韓城第二發(fā)電有限責(zé)任公司 715405摘要：通過對TP304H及TP347H奧氏體不銹鋼鍋爐管的服役狀態(tài)的分析，其組織狀態(tài)雖運行時間的增加，組織狀態(tài)不斷劣化，晶界碳化物析出并不斷增加，抗晶間腐蝕能力變差，塑性降低，TP304H的老化相對TP347H要快，尤其是該類型的管子彎頭處老化更嚴(yán)重，并對老化趨勢及晶間腐蝕進(jìn)行綜合分析，提出了相應(yīng)的預(yù)防建議。關(guān)鍵詞：TP304H、TP347H不銹鋼鍋爐管，服役安全性，組織老化，脆化，晶間腐蝕。TP304H and TP347H austenitic stainless ste

2、el in service state changes analysis and intergranular corrosionAbstract: through the analysis of the TP304H and TP347H service status of austenitic stainless steel boiler tubes, increase its organization is the running time, organization condition deterioration, grain boundary carbides precipitatio

3、n and increasing the resistance variation, intergranular corrosion, plastic reduce, the aging of TP304H relative to TP347H quickly, especially the pipe bend this type of aging is more serious, and the comprehensive analysis of the aging trend and intergranular corrosion, and puts forward the corresp

4、onding suggestions of prevention。Keywords: TP304H, TP347H stainless steel boiler tubes, service safety, aging, embrittlement, intergranular corrosion.1 研究背景 我公司一期2臺600MW亞臨界水冷機(jī)組，二期2臺600MW亞臨界空冷機(jī)組。一期機(jī)組受熱面主要使用材質(zhì)有20G、SA210A1、15CrMoG、12Cr1MoVG、12Cr2Mo1W1VTiB、T91、TP304H、TP347H鋼管子，其中TP304H奧氏體不銹鋼管子主要位于末級過熱器、

5、分隔屏過熱器、后屏再熱器、末級再熱器下彎頭部分，TP347H不銹鋼位于后屏過熱器下彎頭部分。二期機(jī)組受熱面主要使用材質(zhì)有20G、SA210C、15CrMoG、12Cr1MoVG、T23、T91、TP347H鋼管子，其中TP347H不銹鋼位于屏式過熱器、高溫過熱器、高溫再熱器管屏。 1號鍋爐于2005年投產(chǎn)運行，2009年6月19日后屏過熱器夾持管彎頭處漏泄，管子材質(zhì)為TP347H，本漏泄也是本廠TP347H奧氏體不銹鋼的第一次漏泄，截止本次漏泄1號爐已運行27814h，啟停28次。2012年4月4日，屏式再熱器TP304H不銹鋼彎頭處漏泄，截止本次漏泄1號爐已運行49460h，啟停42次。在上

6、述漏泄發(fā)生后，我公司對一期1號爐、2號爐相應(yīng)的TP347H不銹鋼和TP304H不銹鋼進(jìn)行大量的試驗研究分析，發(fā)現(xiàn)TP347H不銹鋼材質(zhì)已出現(xiàn)一定程度老化，部分已發(fā)現(xiàn)存在1-2個晶粒的晶間裂紋，TP304H鋼也出現(xiàn)一定程度老化，且在異種鋼焊縫處、管子直段及彎頭處存在1-2個晶粒的晶間裂紋。二期3、4號爐的TP347H不銹鋼已出現(xiàn)一定程度老化，部分已發(fā)現(xiàn)存在1-2個晶粒的晶間裂紋。對于TP304H不銹鋼、TP347H不銹鋼的老化評級，我國目前還沒有該方面的專門標(biāo)準(zhǔn)，從實踐上看，我國在奧氏體不銹鋼鍋爐管領(lǐng)域的研究主要集中在產(chǎn)品開發(fā)和鍋爐管的失效分析方面，其失效發(fā)生的時間及相關(guān)機(jī)理研究還不充分，數(shù)據(jù)有

7、很大的分散性，難以根據(jù)材質(zhì)目前狀況來準(zhǔn)確判斷其壽命，這對鍋爐管的壽命監(jiān)督管理造成了較大困難。2 前言 我國奧氏體不銹鋼鍋爐管的使用至今已有30多年的歷史，部分奧氏體不銹鋼鍋爐管的累積運行時間已達(dá)20萬h。奧氏體不銹鋼以其較高的蠕變強度、良好的組織穩(wěn)定性、優(yōu)良的抗煙氣腐蝕和蒸汽氧化性能在電站鍋爐受熱面中得到了大量的應(yīng)用，近乎所有的奧氏體不銹鋼均是在18-8型(18Cr-8Ni)不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。目前我國奧氏體不銹鋼鍋爐管運行中存在的主要問題有：(1) 早期投運的奧氏體不銹鋼鍋爐管面臨加速老化；(2) 部分奧氏體-鐵素體異種鋼接頭因老化、氧化缺口和疲勞損傷已進(jìn)入壽命尾期；(3) 奧氏體不銹

8、鋼鍋爐管內(nèi)壁氧化皮脫落堆積導(dǎo)致鍋爐管超溫爆管和汽輪機(jī)通流部件的固體顆粒侵蝕；(4) 新建機(jī)組奧氏體不銹鋼鍋爐管彎管部位多次發(fā)生開裂泄漏故障。奧氏體不銹鋼鍋爐管在長期高溫服役過程中，伴隨著第二相的析出、轉(zhuǎn)變和運動，其微觀組織會發(fā)生持續(xù)的變化，即微觀組織的老化。微觀組織的老化會導(dǎo)致其性能的劣化，是影響服役安全性和服役壽命的重要因素。電站用耐熱鋼的微觀組織的老化主要取決于服役溫度下的服役時間，溫度和時間的不同往往造成服役后微觀組織有明顯的差異。根據(jù)熱力發(fā)電18-8奧氏體不銹鋼鍋爐管服役特性的研究，將此種奧氏體不銹鋼的服役狀態(tài)老化評級分為5級。至2013年9月，我公司一期機(jī)組已運行6萬余小時，二期機(jī)組

9、已運行3萬余小時。本文在我公司多次的服役爐管取樣分析及實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了我公司2種不銹鋼（即TP304H不銹鋼，TP347H不銹鋼）組織老化發(fā)展趨勢，對4臺機(jī)組奧氏體不銹鋼的服役狀態(tài)進(jìn)行了評估，并初步分析了奧氏體不銹鋼晶間腐蝕產(chǎn)生的原因，提出了初步預(yù)防建議。3 TP304H奧氏體不銹鋼的組織老化趨勢TP304H不銹鋼不含Ti和Nb等穩(wěn)定化元素，是一種非穩(wěn)定的不銹鋼，對非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼鍋爐管，晶內(nèi)和晶界第二相分布的形態(tài)在長期高溫服役后逐漸發(fā)生著變化，隨著服役時間的延長，滑移線、孿晶和層錯逐漸消失，位錯密度逐漸降低，位錯線趨于變直；晶內(nèi)第二相數(shù)量先明顯增多后減少、顆粒尺寸無明顯變化，晶界第二

10、相數(shù)量逐漸增多、尺寸逐漸增大。非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼鍋爐管中的第二相主要為碳化物（M23C6、M7C3）和金屬間化合物（相）兩類；當(dāng)服役時間不長時，析出的第二相主要為M23C6和M7C3，隨著服役時間的延長，相也逐漸析出。3.1 TP304H不銹鋼鍋爐管組織變化高溫受熱面TP304H不銹鋼鍋爐管組織變化情況如表1。表1 高溫受熱面TP304H不銹鋼鍋爐管組織狀態(tài)試驗結(jié)果爐號樣管編號規(guī)格材質(zhì)運行溫度壓力啟停次數(shù)運行時間組織狀態(tài)1號爐屏再A22-3TP304H，7044.2MPa,56036次43875hTP304H鋼管所取直管、彎頭部位，微觀組織中的奧氏體晶界已存在較明顯碳化物沉積，呈現(xiàn)一定的老化

11、趨勢，為奧氏體組織，有孿晶存在，晶粒大小不均勻，奧氏體晶界上存在明顯的碳化物沉積，掃描電鏡未見Cl離子，直段處：可定位老化3級，彎頭處：定位老化3-4級。2號爐屏再A23-170*4，TP304H4.2MPa,56030次45859h為單相奧氏體組織，有孿晶存在晶粒大小不均勻，碳化物在晶界聚集，晶界粗化，有小于2個晶粒的內(nèi)壁晶間裂紋(向火背火），老化5級。1號爐A21-1TP304H，7044.2MPa,56040次49460h取樣管迎煙側(cè)向火面與背火面組織存在差異，向火面微觀組織已出現(xiàn)劣化跡象。取樣管內(nèi)壁氧化皮厚度0.10.2mm，可見吞噬晶粒向內(nèi)發(fā)展。A21-1、A20-1失效管爆口附近宏

12、觀可見縱向裂紋，微觀組織晶間裂紋較多，自內(nèi)壁向內(nèi)擴(kuò)展特征明顯。斷口附近內(nèi)壁存在較多裂紋，沿晶開裂現(xiàn)象明顯。進(jìn)行晶間腐蝕試驗，一根正彎（以外壁為彎曲面），一根反彎（以內(nèi)壁為彎曲面）。結(jié)果表明，8根試樣均存在裂紋，晶間腐蝕試驗不合格1號爐A21-1漏泄TP304H，7044.2MPa,56040次49460h微觀組織嚴(yán)重老化老化5級向火，老化3級背火1號爐A20-1TP304H，7044.2MPa,56040次49460h為單相奧氏體組織，有孿晶存在晶粒大小不均勻，晶粒度5-8級，微觀組織已有一定程度老化，迎煙側(cè)有較多碳化物在晶界聚集，晶界已明顯變粗，奧氏體晶內(nèi)析出物明顯增多。向火面老化4-5級1

13、號爐A20-1TP304H，7044.2MPa,56040次49460h為單相奧氏體組織，有孿晶存在晶粒大小不均勻，晶粒度5-8級，微觀組織已有一定程度老化，迎煙側(cè)有較多碳化物在晶界聚集，晶界已明顯變粗，奧氏體晶內(nèi)析出物明顯增多。背火面老化2-3級1號爐A20-2TP304H，7044.2MPa,56040次49460h為單相奧氏體組織，有孿晶存在晶粒大小不均勻，晶粒度5-8級，微觀組織已有一定程度老化，迎煙側(cè)有較多碳化物在晶界聚集，晶界已明顯變粗，奧氏體晶內(nèi)析出物明顯增多。奧氏體晶內(nèi)及晶界碳化物析出明顯增多，組織一定程度劣化老化3級1號爐A20-3TP304H，7044.2MPa,56040

14、次49460h此管比A20-2相對劣化嚴(yán)重，老化4-5級2號爐末級再熱器A35-163*4，TP304H4.2MPa,59030次45859h末級再熱器TP304H管奧氏體晶粒大小不均勻，晶界存在碳化物，微觀組織老化。彎頭及直段處未發(fā)現(xiàn)，有小于2個晶粒的內(nèi)壁晶間裂紋，異種鋼焊縫區(qū)較嚴(yán)重，3-4級。1號爐末級再熱器管A2-163*4，TP304H4.2MPa,59050次57215h向火側(cè)：奧氏體，有孿晶。晶粒大小不均勻，晶界碳化物聚集。4級1號爐A2-1背火側(cè)63*4，TP304H4.2MPa,59050次57215h背火側(cè)：奧氏體，有孿晶。晶粒大小不均勻，晶界碳化物較多。3級1號爐彎頭（末級

15、再熱器管A2-1）63*4，TP304H4.2MPa,59050次57215h外弧：奧氏體，有孿晶。晶粒大小差異較大，晶界碳化物聚集。4級1號爐彎頭（末級再熱器管A2-1）內(nèi)弧63*4，TP304H4.2MPa,59050次57215h內(nèi)弧：奧氏體，有孿晶。晶粒大小差異較大，晶界碳化物聚集。4級1號爐4#直管（分割屏過夾持管）TP304H,57x917.2MPa,59050次57215h外?。簥W氏體，有孿晶。晶粒大小差異較大，晶界碳化物聚集。晶界已開始粗化，并開始呈現(xiàn)鏈狀。4-5級1號爐4#直管（分割屏過夾持管）背火面TP304H,57x917.2MPa,59050次57215h背火面：奧氏體

16、，有孿晶。晶粒大小差異較大，晶界碳化物聚集。4-5級1號爐4#彎頭（分割屏過夾持管）TP304H,57x917.2MPa,59050次57215h外?。簥W氏體，有孿晶。晶粒大小差異較大，晶界碳化物聚集。4-5級1號爐4#彎頭（分割屏過夾持管）內(nèi)弧TP304H,57x917.2MPa,59050次57215h內(nèi)弧：奧氏體，有孿晶。晶粒大小差異較大，晶界碳化物聚集。4-5級注：老化評級是按照18-8型奧氏體不銹鋼鍋爐管服役特性研究給出的評級圖進(jìn)行評定的。從組織變化情況看，可得出如下幾點結(jié)論：(1)屏式再熱器在4萬至5萬小時，老化處于加速階段從3級老化上升到5級老化，耐晶間腐蝕能力下降，且相火面比背

17、火面嚴(yán)重，老化5級時首次出現(xiàn)失效（有晶間裂紋）；該漏泄管子由于吹損有一定程度減薄，從4mm減為3.0mm，從而導(dǎo)致該處應(yīng)力增大，導(dǎo)致其更快失效；其位于折焰角上方，管子外壁溫度高（煙氣溫度高）。(2)末級再熱器下部彎頭處運行45859h時，已老化至3級，異種鋼焊縫靠TP304H鋼側(cè)已發(fā)現(xiàn)晶間裂紋，劣化更嚴(yán)重；到57215h，老化至4級，相火面比背火面嚴(yán)重；(3)分隔屏過熱器夾持管運行至57215h，老化至4-5級，位于爐膛上部，煙氣溫度高，管壁溫度高且應(yīng)力大，材料劣化嚴(yán)重。3.2 TP304H力學(xué)性能及韌性變化 TP304H力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2。表2 TP304H力學(xué)性能試驗結(jié)果爐號樣管編號規(guī)

18、格材質(zhì)試驗溫度啟停次數(shù)運行時間抗拉強度Rm(MPa)屈服強度Rp0.2 (MPa)延伸率A（%)1號爐屏再A21-1TP304H，70451040次49460h37519927.51號爐屏再A21-1（漏泄）TP304H，70451040次49460h355165271號爐屏再A20-1TP304H，70451040次49460h340140271號爐屏再A20-2TP304H，70451040次49460h355162261號爐屏再A20-3TP304H，70451040次49460h370123352號爐末級再熱器A35-163*4，TP304H57030次45859h329127301號

19、爐末級再熱器管A2-1（向火面）63*4，TP304H60050次57215h38112733.01號爐末級再熱器管A2-1（背火面）63*4，TP304H60050次57215h39613535.51號爐彎頭（末級再熱器管A2-1向火面）63*4，TP304H60050次57215h37913237.01號爐彎頭（末級再熱器管A2-1背火面）63*4，TP304H60050次57215h38612535.51號爐直管（分割屏過夾持管）向火面TP304H,57x951050次57215h38215030.01號爐直管（分割屏過夾持管）背火面TP304H,57x951050次57215h4171

20、4235.51號爐彎頭（分割屏過夾持管）向火面TP304H,57x951050次57215h40120827.51號爐4彎頭（分割屏過夾持管）背火面TP304H,57x951050次57215h41322929.5從上述數(shù)據(jù)可以得出：隨著服役時間的延長，材料的抗拉強度及屈服強度變化不明顯，強度略有升高，斷面收縮率相對下降，但仍能滿足標(biāo)準(zhǔn)最低要求。斷面收縮率的降低反映出材料的塑韌性在下降，材料脆化，這與組織的老化相一致。綜上所述，我廠1、2號爐末級再熱器下部TP304H不銹鋼管運行至57215h已老化至4級，T91與TP304H異種鋼焊縫靠奧氏體不銹鋼側(cè)已有內(nèi)壁晶間裂紋，存在一定的安全隱患。1號

21、爐分隔屏夾持管TP304H鋼管已老化至5級，存在較大安全隱患?？梢灶A(yù)料隨著運行時間的延長，將進(jìn)一步老化至破裂。屏式再熱器已更換。 4 TP347H穩(wěn)定化不銹鋼組織性能演變規(guī)律TP347H為含Nb的穩(wěn)定化不銹鋼管，穩(wěn)定化不銹鋼鍋爐管的微觀組織在服役過程中的演變規(guī)律為：隨著服役時間的延長，滑移線、孿晶和層錯逐漸消失，位錯密度逐漸降低、位錯線趨于變直；晶內(nèi)第二相數(shù)量略增多后基本不變、顆粒尺寸略增大，晶界第二相數(shù)量逐漸增多、尺寸逐漸增大。穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼鍋爐管中的第二相主要為碳化物（M23C6、M7C3、NbC、TiC）和金屬間化合物（相、Laves相）；當(dāng)服役時間不長時，析出的第二相主要為碳化物相

22、，隨著服役時間的延長，相也逐漸析出，Laves相在相后析出。4.1 TP347H組織的變化 TP347H組織的變化試驗結(jié)果見表3。表3 TP347H組織的變化試驗結(jié)果爐號樣管編號規(guī)格材質(zhì)運行溫度壓力啟停次數(shù)運行時間組織狀態(tài)2號爐后屏過熱器A-B6W(最外圈） TP347H 63*11517(蒸汽溫度），17.23MPa12次10551h未發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)外壁存在徑向微裂紋,晶間腐蝕試驗 彎曲180 未見晶間腐蝕裂紋,為單相奧氏體組織，奧氏體晶粒大小不均勻，晶粒大小相差較大，混晶現(xiàn)象明顯，晶粒度4-8級，晶內(nèi)孿晶較少，奧氏體晶內(nèi)及晶界均有碳化物析出,外弧軸向奧氏體晶粒大小不均勻，晶粒大小相差較大，混晶

23、現(xiàn)象明顯，晶粒度3-8級，晶內(nèi)孿晶較少，奧氏體晶內(nèi)及晶界均有碳化物析出,斷口上存在CL_,尤其是A-B6W直管內(nèi)壁側(cè)試樣斷口上的含量最高，達(dá)0.26%，后屏過熱器A-B6W彎經(jīng)過1萬小時的運行，管子內(nèi)壁已受到不同程度的晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕侵蝕，材料耐截止能力下降，尤其是當(dāng)停爐保護(hù)不當(dāng)和超溫運行的狀態(tài)下，這樣的腐蝕狀況很有可能加速。老化1-2級2號爐后屏過熱器A-B20W(最外圈） SA-213TP347H 63*11517(蒸汽溫度），17.23MPa12次10551h外弧環(huán)向奧氏體晶粒大小不均勻，晶粒大小相差較大，混晶現(xiàn)象明顯，晶粒度5-8級，晶內(nèi)孿晶較少，奧氏體晶內(nèi)及晶界均有碳化物析出;外弧

24、軸向奧氏體晶粒大小不均勻，晶粒大小相差較大，混晶現(xiàn)象明顯，晶粒度4-8級，晶內(nèi)孿晶較少，奧氏體晶內(nèi)及晶界均有碳化物析出。老化1-2級2號爐后屏過熱器加持管B-A6 帶焊縫直段TP347H 63*11512(蒸汽溫度），17.23MPa20次26750h微觀呈現(xiàn)奧氏體組織狀態(tài)，存在孿晶，兩管微觀組織差異不大。奧氏體晶粒大小極不均勻，存在混晶及套晶組織，晶粒度極差最大相差5級。管樣中奧氏體晶內(nèi)及晶界存在不同程度的碳化物析出。管樣內(nèi)、外壁狀況未發(fā)現(xiàn)明顯晶間裂紋等異?，F(xiàn)象。晶間腐蝕試驗：外表面?zhèn)日龔?80未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。內(nèi)表面?zhèn)确磸?80發(fā)現(xiàn)明顯晶間腐蝕裂紋。老化3-4級2號爐后屏過熱器加持管A7

25、，B11彎TP347H 60*11512(蒸汽溫度），17.23MPa26次38508h外表輕度氧化腐蝕。奧氏體晶粒大小不均勻，晶粒大小相差較大，混晶現(xiàn)象明顯，晶內(nèi)有孿晶存在，奧氏體晶內(nèi)及晶界均有碳化物析出;奧氏體晶粒不均勻，存在混晶及套晶組織。相比而言，彎頭部位與直觀部位晶粒大小差異明顯。B11直管相比A7，晶粒相差更大。A7彎頭相比B11相差大。A7直段晶粒度5-9級，B11晶粒度3-9級。A7彎頭部位3-10級，B11彎頭晶粒度3-8級。A7/B11管樣內(nèi)外壁均存在不同程度的晶間腐蝕現(xiàn)象，可見明顯的晶間腐蝕裂紋深度1-2個晶粒。彎頭處更明顯。晶間腐蝕試驗：A7、B11取樣管內(nèi)表面?zhèn)染哂忻?/p>

26、顯的晶間腐蝕傾向。其余合格。反彎180A7彎頭老化4級左右，B11老化4級左右。1號爐1號爐后屏過熱器夾持管B13漏泄SA-213TP347H 60*11512(蒸汽溫度），17.23MPa26次27800h樣管的微觀組織為單相奧氏體，晶粒大小不均勻，晶內(nèi)有孿晶存在，奧氏體晶內(nèi)及晶界均有碳化物析出，彎頭相對直段，晶粒劑不均勻，存在混晶及套晶組織，晶界碳化物聚集明顯，在晶界交匯處應(yīng)力集中部位尤其突出。老化4級，彎頭部位組織極不均勻及外表機(jī)械損傷是造成較早漏泄的重要原因。1號爐1號爐后屏過熱器夾持管A2/B5彎SA-213TP347H 60*11512(蒸汽溫度），17.23MPa29次29077

27、h管材微觀組織形貌：奧氏體晶粒大小不均勻，晶粒大小相差較大，混晶現(xiàn)象明顯，晶粒度5-8級，晶內(nèi)有孿晶存在，奧氏體晶內(nèi)及晶界均有碳化物析出奧氏體晶粒不均勻，存在混晶及套晶組織。相比而言，彎頭部位與直觀部位晶粒大小差異明顯。A2直段晶粒度5-9級，B5晶粒度4-8級。A2彎頭部位3-9級，B5彎頭晶粒度6-10級。A2/A5管樣內(nèi)外壁均存在不同程度的晶間腐蝕現(xiàn)象，可見明顯的晶間腐蝕裂紋深度1-2個晶粒。晶間腐蝕試驗：A2取樣管內(nèi)表面?zhèn)染哂忻黠@的晶間腐蝕傾向。其余合格。反彎180掃描電鏡分析：A2管樣的低溫斷口形貌以沿晶斷裂+韌窩特征為主，存在沿晶二次裂紋。B5管樣的低溫斷口形貌以韌窩特征+沿晶斷裂

28、為主，存在沿晶二次裂紋。A2、A5老化4級。1號爐3#直管（后屏過熱器A-B-13）TP347H，6311517(蒸汽溫度），17.23MPa50次57215h向火面：奧氏體，有孿晶。晶粒大小不均勻。背火面：奧氏體，有孿晶。晶粒大小不均勻。老化3級3號爐屏過夾持管（B1-4）TP347H，44.57510(蒸汽溫度），17.23MPa30次24697h彎環(huán)：奧氏體，晶粒大小不均勻，晶粒變形，晶界存在碳化物。正彎、反彎均裂;TP347H管奧氏體組織晶粒大小不均勻，有孿晶，晶界存在碳化物，微觀組織開始出現(xiàn)老化趨勢;晶間腐蝕試驗：3號爐正外反彎，內(nèi)外表面90均存在明顯晶間腐蝕裂紋。老化2級4號爐4號

29、爐屏過夾持管（B1-5）TP347H，44.57510(蒸汽溫度），17.23MPa34次19494hTP347H管奧氏體組織晶粒大小不均勻，有孿晶，晶界存在碳化物，微觀組織開始出現(xiàn)老化趨勢。內(nèi)壁存在晶間微裂紋，深度為2個晶粒。晶間腐蝕試驗外表面彎至180存在明顯晶間腐蝕裂紋。內(nèi)表面90邊緣折裂，未見晶間腐蝕裂紋。老化2級4號爐4號爐高溫過熱器TP347H，518510(蒸汽溫度），17.23MPa38次20989h微觀組織：呈奧氏體組織狀態(tài)，晶粒大小不均勻，晶界上存在析出相粒子;晶間腐蝕試驗：內(nèi)壁彎至90時已發(fā)現(xiàn)明顯晶間腐蝕開裂，外彎未見異常。老化2-3級3號爐1號管樣高溫過熱器A-B第10

30、屏第1根TP347H518540(蒸汽溫度），17.23MPa40次33312h背火面和向火面的微觀組織照片，其組織沒有明顯差異，均為單相奧氏體，晶粒大小不均勻，有孿晶存在，但其奧氏體晶內(nèi)及晶界存在不同程度碳化物析出；正反彎180均發(fā)現(xiàn)有裂紋，老化1-2級，2級3號爐屏過夾持管（4-3-16）TP347H，44.57510(蒸汽溫度），17.23MPa40次33312h背火面和向火面的微觀組織照片，均為單相奧氏體，晶粒大小不均勻，有孿晶存在，但其奧氏體晶內(nèi)及晶界存在不同程度碳化物析出，而向火面碳化物析出程度比背火面嚴(yán)重；正反彎100均發(fā)現(xiàn)有裂紋，老化2-3級，3級從組織變化情況看，可得出如下幾

31、點結(jié)論：（1） 對于1、2號爐后屏過熱器隨著運行時間的延長，組織逐漸老化。運行至1萬小時時，老化開始1-2級（晶界有碳化物析出），運行至3萬小時時，出現(xiàn)晶間裂紋，1號爐后屏B13夾持管運行至27800h首次漏泄，老化4級，2號爐后屏夾持管運行至38508h，老化4級，出現(xiàn)晶間裂紋。但屏過U型彎管及直段，運行至57215h老化至3級，這與改管為直管及該管為90彎有關(guān)系，彎曲半徑大，彎管加工中變形小，殘余應(yīng)力低，其抗晶間腐蝕能力要好一些。（2） 對于3、4號爐TP347H管隨著運行時間的延長，組織逐漸老化。3號爐運行至33312h已老化至3級，高溫過熱器也老化至2級；4號爐屏過夾持管運行至2萬小時

32、，老化2級，內(nèi)壁存在2個晶粒的晶間裂紋。（3）隨著運行時間的增加，組織老化愈來愈嚴(yán)重，1萬小時時開始在晶界處出現(xiàn)碳化物，到3萬小時時，老化4級，開始出現(xiàn)晶間裂紋，個別有原始損傷的管子漏泄，向火的管子彎頭部位老化更快。晶間腐蝕試驗表明材料老化越嚴(yán)重，其抗晶間腐蝕能力越差。4.2 TP347H力學(xué)性能及韌性TP347H奧氏體不銹鋼室溫力學(xué)性能試驗結(jié)果見表4。表4 TP347H奧氏體不銹鋼室溫力學(xué)性能試驗結(jié)果爐號樣管編號規(guī)格材質(zhì)試驗溫度啟停次數(shù)運行時間抗拉強度Rm(MPa)屈服強度Rp0.2 (MPa)延伸率A(%)2號爐2號爐后屏過熱器彎頭A-B6(最外圈） SA-213TP347H 63*112

33、012次10551h255600542號爐2號爐后屏過熱器A-B20W(最外圈） SA-213TP347H 63*112012次10551h24059552.5進(jìn)口管35063054.52號爐2號爐后屏過熱器加持管B-A6 帶焊縫直段SA-213TP347H 63*112020次26750h255595522號爐2號爐后屏過熱器加持管A7彎SA-213TP347H 60*112026次38508h26060050.52號爐B11SA-213TP347H 60*112026次38508h240590511號爐1號爐后屏過熱器加持管B13漏泄SA-213TP347H 60*112026次27800

34、h27060049.51號爐1號爐后屏過熱器加持管A2彎SA-213TP347H 60*112029次29077h27562051.51號爐B5SA-213TP347H 60*112029次29077h280610523號爐3號爐屏過夾持管（B1-4）TP347H，44.572030次24697h273634454號爐4號爐屏過夾持管（B1-5）TP347H，44.572034次19494h308664464號爐4號爐高溫過熱器TP347H，5182038次20989h264612503號爐1號管樣高溫過熱器A-B第10屏第1根TP347H5182040次33312h28464644.53號爐

35、3號管樣屏過加持管TP347H，44.572040次33312h30366442表5 TP347H奧氏體不銹鋼高溫力學(xué)性能試驗結(jié)果爐號樣管編號規(guī)格材質(zhì)試驗溫度啟停次數(shù)運行時間抗拉強度Rm(MPa)屈服強度Rp0.2 (MPa)延伸率A(%)2號爐2號爐后屏過熱器彎頭A-B6(最外圈） SA-213TP347H 63*1154012次10551h165385352號爐2號爐后屏過熱器A-B20W(最外圈） SA-213TP347H 63*1154012次10551h156375302號爐2號爐后屏過熱器加持管B-A6 帶焊縫直段SA-213TP347H 63*1154020次26750h1574

36、0024.52號爐A7彎SA-213TP347H 60*1154026次38508h182385202號爐B11SA-213TP347H 60*1154026次38508h21040023.51號爐1號爐后屏過熱器加持管B13漏泄SA-213TP347H 60*1154026次27800h15940524.51號爐A2SA-213TP347H 60*1154029次29077h157390231號爐B5SA-213TP347H 60*1154029次29077h16740026.51號爐3#直管（后屏過熱器A-B-13）TP347H，631154050次57215h16837524低于標(biāo)準(zhǔn)要求

37、188MPa。從表4、5數(shù)據(jù)看，力學(xué)性能強度方面無明顯的變化規(guī)律，斷面收縮率隨時間增長有逐步下降的趨勢，斷面收縮率反映出材料的塑韌性，塑韌性是逐步下降的，室溫斷面收縮率仍滿足標(biāo)準(zhǔn)最低要求?？傮w看來與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)樣相比已有較大降低，高溫屈服強度比標(biāo)準(zhǔn)低。3、4號爐屏過TP347H夾持管室溫斷面收縮率相對1、2號爐同材質(zhì)偏低。5 組織性能變化對服役安全性的影響5.1 材料的脆化首先，奧氏體不銹鋼鍋爐管長期高溫服役后晶界附近的合金元素擴(kuò)散速度快，在晶界處析出第二相，第二相得析出阻礙晶內(nèi)和晶界的變形，使材料的塑性和韌性較原始狀態(tài)降低；其次，晶界上析出長大的第二相的彈性模量和力學(xué)性能與基體有差異，在第二相

38、顆粒附近因變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生應(yīng)力集中，另外析出長大的第二相的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率與基體的差異，在鍋爐管的冷熱交替過程中，易在第二相顆粒附近形成熱應(yīng)力集中和循環(huán)，這些晶界第二相處的應(yīng)力集中最后會在該處造成微觀損傷，從而降低材料的韌性。5.2材料抗腐蝕能力的降低，即材料在高溫蒸汽及煙氣中易晶間腐蝕，產(chǎn)生晶間裂紋，最終斷裂。奧氏體不銹鋼鍋爐管在長期高溫服役過程中，會在奧氏體晶界析出Cr的碳化物（Cr23C6）和金屬間化合物（相）。由于Cr的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)低于碳的擴(kuò)散速度，Cr不能及時從晶內(nèi)向晶界擴(kuò)散，結(jié)果導(dǎo)致晶界附近貧Cr，在晶界形成“貧鉻區(qū)”，削弱了基體的抗腐蝕能力。另外，析出的第二相使晶界附近敏化，在大

39、應(yīng)力作用下，易發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。6 晶間腐蝕原因分析6.1奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的危害 發(fā)生晶間腐蝕時，金屬外形幾乎不發(fā)生任何變化，但是晶粒間的結(jié)合力卻有所下降，使鋼的強度、塑性和韌性急劇降低；如果遇有內(nèi)外應(yīng)力的作用，輕者稍經(jīng)彎曲便可產(chǎn)生裂紋，重者敲擊即可碎成粉末，晶間腐蝕不易檢測，據(jù)統(tǒng)計這類腐蝕約占總腐蝕類型的10.2%。 6.2 晶間腐蝕的機(jī)理 主要有貧鉻理論，認(rèn)為，奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕是由于晶界區(qū)的貧鉻所引起的，C在奧氏體中的飽和溶解度0.02%,不銹鋼的C含量一般高于這一數(shù)值。當(dāng)不銹鋼從固溶溫度開始冷卻時，C處于過飽和狀態(tài)。敏化處理時，C和Cr形成碳化物在晶界析出，由于碳化物中的C

40、r含量很高，而Cr在奧氏體中的擴(kuò)散速率卻很低，導(dǎo)致奧氏體中Cr含量低于12%,那么在晶界兩側(cè)便形成了貧Cr區(qū)，即晶界區(qū)和晶粒本體有了明顯的差異。晶粒與晶界形成活態(tài)-鈍態(tài)的微電偶結(jié)構(gòu)，從而形成晶界腐蝕。用投射電鏡鍍膜技術(shù)可直接觀察到貧Cr區(qū)。奧氏體不銹鋼的敏化溫度為450-850，尤其是以650最危險。6.3 晶間腐蝕的影響因素 （1）化學(xué)成分合金元素的影響 C是不銹鋼敏化的關(guān)鍵性元素，對晶間腐蝕有重大影響，如果碳含量低于0.02%，即使在650長期加熱，也不會產(chǎn)生晶間腐蝕。C是晶間腐蝕的有害元素之一；Cr影響，對于18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼。當(dāng)溫度高于550時，受碳化物的生成速率控制，低于5

41、50時受Cr的擴(kuò)散控制，Cr的增加在較低溫度時加速晶間腐蝕，在高溫時，延長產(chǎn)生晶間腐蝕的時間。N的影響復(fù)雜，最好控制在0.1%以下；NI含量的增加降低了C在奧氏體中的溶解度，并促進(jìn)了碳化物的析出和長大，Ni會增加晶間腐蝕的敏感性。Nb/Ti是穩(wěn)定化元素，不銹鋼在制造中應(yīng)盡量減少S/P等雜質(zhì)元素，易形成第二相，發(fā)生選擇性腐蝕。 （2）制造、彎管工藝影響固溶處理工藝差異;奧氏體不銹鋼鍋爐管在供貨時，廠家從經(jīng)濟(jì)性考慮一般易于采用較高的加熱溫度和較短的保溫時間。當(dāng)加熱溫度過高或保溫時間過長(即供貨狀態(tài)的固溶程度太高)時，穩(wěn)定化不銹鋼中MX相也被較大程度溶解，服役時過飽和的碳使Cr的碳化物析出，從而可能

42、造成晶界的敏化。當(dāng)加熱溫度過低或保溫時間過短(即供貨狀態(tài)的固溶程度不足)時，Cr的碳化物不能充分溶解，更重要的是冷加工造成的硬化和殘余應(yīng)力不能被充分消除，在運行時易促進(jìn)裂紋的萌生和發(fā)展。去應(yīng)力處理工藝差異；奧氏體不銹鋼鍋爐管的去應(yīng)力處理主要是為了消除冷加工(如彎管)后管樣的應(yīng)力腐蝕敏感性。目前國內(nèi)鍋爐廠依據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，彎管多采用彎曲半徑等于或接近于可不進(jìn)行去應(yīng)力熱處理的下限值，且不進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。當(dāng)不銹鋼鍋爐管固溶處理效果不理想、加之管子運行時有較大熱脹應(yīng)力時，不進(jìn)行去應(yīng)力熱處理的彎管殘留的加工硬化和彎制應(yīng)力會加大應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險。 （3）晶粒尺寸的影響 有研究表明，隨著晶粒尺寸的減小，晶間

43、腐蝕速率降低；原因在于晶粒尺寸越小，單位體積的晶界面積越小，形成Cr的碳化物越少，越不易貧Cr。 （4）焊接工藝的影響 由于奧氏體不銹鋼熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性差，且焊接后一般不進(jìn)行熱處理，這就造成焊接處焊接殘余應(yīng)力可能會較大。對于奧氏體不銹鋼鍋爐管上的焊接附件，當(dāng)有較大的焊接拘束應(yīng)力時，再加上鍋爐管的運行應(yīng)力等，在鍋爐內(nèi)氧化腐蝕的環(huán)境中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。對于奧氏體不銹鋼管的對接焊接焊頭，由于焊接過程中焊接熱導(dǎo)致的鋼管敏化、運行初期抗腐蝕能力下降，運行時在焊接應(yīng)力、內(nèi)壓應(yīng)力、熱脹應(yīng)力的共同作用下，在鍋爐內(nèi)氧化腐蝕的氣氛中易發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。為防止奧氏體不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕，特別是鍋爐管上

44、附件焊接部位的應(yīng)力腐蝕，焊接時應(yīng)注意線能量和冷卻速度的控制。奧氏體不銹鋼在焊接時，隨著焊接能量的增加，焊縫晶粒粗大化，晶界貧Cr層也增加，晶間腐蝕速度將加快，可通過提高焊接速度的方法重大電流，以維持較低線能量，降低晶間腐蝕敏感性，也可焊后進(jìn)行固溶及穩(wěn)定化處理。 （5）工作狀態(tài)的影響汽水中氧含量的增大會加劇其失效的發(fā)生，運行管壁金屬溫度越高，老化越快，應(yīng)力越大，老化失效越快。7結(jié)論及建議7.1 結(jié)論（1） 我廠4臺鍋爐所使用的TP304H及TP347H均為國產(chǎn)材料，其原材質(zhì)量相對較差，原材彎管加工時未能嚴(yán)格按照制造工藝進(jìn)行，從而導(dǎo)致運行較短時間時，老化程度已較明顯。 1、2號爐屏式再熱器TP304H