奧氏體不銹鋼鍋爐管在供貨前應進行固溶處理,否則易造成部分鍋爐受熱面管的開裂泄漏。選取了3個電廠的奧氏體不銹鋼過熱器開裂彎管樣進行試驗分析,探討固溶處理對該類鍋爐管性能的影響。試驗結果表明,奧氏體不銹鋼高溫過熱器彎管開裂是因奧氏體不銹鋼管未按標準進行固溶處理即供貨,運行時在管子加工殘余應力、彎管殘余應力、熱膨脹應力共同作用下造成了沿晶氧化腐蝕所致。對此,提出了相應的防止措施。

一、不銹鋼鍋爐管固溶熱處理

  TP347H不銹鋼管多用于鍋爐受熱面,在生產過程中,部分奧氏體不銹鋼管在出廠前未進行固溶熱處理,或固溶處理不規范,造成部分鍋爐受熱面管開裂泄漏，給鍋爐管安全運行構成了威脅。文獻規定1Cr19Ni11Nb(TP347H)鋼的熱軋管固溶溫度應≥1050℃,冷拔管的固溶溫度應≥1095℃;文獻[5]規定所有TP347H不銹鋼管須經固溶處理,熱軋管的固溶退火溫度高于1065℃,則會損害其隨后在敏化條件下的抗晶間腐蝕性能。固溶處理就是將不銹鋼加熱到規定溫度,然后迅速冷卻,使碳化物和合金元素充分溶解到奧氏體中去,從而得到均一的奧氏體組織。制造過程中產生的殘余應力是鍋爐管在高溫下發生變形和在拉應力及鹵素離子共同作用下產生應力腐蝕開裂的主要原因,選用合適的固溶處理工藝,不但可以使合金元素充分固溶,還可以起到消除殘余應力的作用。對于奧氏體不銹鋼,必須至少在870℃下加熱進行。對此,從3個電廠共選用了4段奧氏體不銹鋼過熱器彎管樣(表1)進行試驗分析,其中,1～3號管子為開裂的彎管,4號管為備用直管。

   1～3號開裂管具有類似的開裂特征,其中2號、3號開裂管如圖所示。管子外表面光滑發黑未見有明顯的腐蝕垢層,開裂部位均在彎頭的內弧側,裂紋比較平直,沿管子周向擴展且沿壁厚方向已裂透,裂紋旁邊有泄漏孔且有被汽水沖刷減薄的痕跡,汽水沖刷處顏色發亮,應為周圍管子泄漏沖刷所致。圓周中間裂紋較寬而在圓周兩側裂紋較細窄。在1～4號管樣上制取粉末樣進行化學成分分析,分析結果如表所示。按照文獻[8]考慮C元素含量的上偏差為0.01%和Nb元素含量的下偏差為0.05%后,1～4號管樣的各元素成分含量均符合ASMESA2213對TP347H不銹鋼管的技術要求,但4號管樣的鈮元素含量偏低。

二、拉伸性能和硬度

   按照文獻在1～3號管樣裂紋附近的直管段、4號管段上取樣進行常溫拉伸性能試驗,A、B部位分別對應于彎管的內、外弧面,拉伸試驗機型號為CMT5205,拉伸試驗結果如表3所示。由表3可知,1～4號管段的常溫拉伸性能均符合ASMESA2213對TP347H不銹鋼管規定的技術要求,其中4號管樣的抗拉強度和屈服強度較高。在1～3號管樣裂紋附近的彎管部位和4號直管樣上加工環樣,在環樣橫截面上每隔90°進行維氏硬度試驗,試驗機型號為FM2700,維氏金剛石壓頭,載荷9.807N,保持載荷14s,測試結果見表4。由表4可知,1～3號彎管樣的維氏硬度明顯高于4號直管樣,不符合ASMESA2213對TP347H新鋼管的維氏硬度值要求(≤200HV),這表明彎管的形變硬化嚴重。

三、金相組織和晶間腐蝕

   在1～3號管樣的裂紋尖端處各取縱向金相樣,在4號備用直管樣上取橫向金相樣,4個金相樣經砂紙粗、細磨和拋光后,用CuCl2濃鹽酸酒精溶液進行浸蝕,然后在OLYMPUSGX71型光學顯微鏡下進行金相組織分析。分析表明,1～3號管的金相組織具有相同特征:組織均為奧氏體+孿晶+滑移線+析出物,裂紋為沿晶開裂而且有分叉,裂紋中有灰色腐蝕產物存在,有典型的沿晶氧化腐蝕特征。4號管樣的金相組織為奧氏體+孿晶+滑移線+少量析出物。依據文獻在2號管彎管部分的內、外弧側分別制取試樣進行晶間腐蝕試驗,試樣1、試樣2為內弧側,試樣3、試樣4為外弧側,結果如圖所示。從圖可以看到,試樣彎曲約90°有裂紋產生,按標準要求,壓力加工件和焊接件試樣彎曲角度應為180°,這表明2號管存在明顯的晶間腐蝕傾向。

四、分析與討論

   a. 1～3號管樣具有相同的宏觀開裂特征,投入運行的時間均較短(小于1年),泄漏前無明顯的超溫及管子脹粗、減薄現象;

   b. 1～4號管樣的化學成分均合格;

   c. 1～4號管樣的常溫拉伸性能均符合相關標準,但4號管樣的抗拉強度和屈服強度較高;

   d. 1～3號彎管樣的維氏硬度已高于相關標準的要求,這表明彎管的形變硬化更嚴重;

   e. 2號管樣存在明顯的晶間腐蝕傾向;

   f. 1～4號管樣的組織均為奧氏體+孿晶+滑移線+析出物,1～3號裂紋樣均具有典型的沿晶氧化腐蝕特征。

    4號管樣的較高屈服強度說明鋼管的加工硬化在熱處理中沒有充分消除,固溶處理不規范;管樣金相組織中均存在滑移線,應是在壓力加工過程中產生的,加工后未進行固溶處理。奧氏體不銹鋼鍋爐管材料未按標準進行固溶處理,造成管子壓力加工過程中的殘余應力無法消除;管子彎制后未進行固溶處理,存在因局部塑性彎曲變形不一致而造成的彎管殘余應力;運行中,管圈兩邊直管的溫度差異造成的膨脹量差異將形成熱膨脹應力,且由于出口段溫度大于進口段,因此熱膨脹造成進口段內弧和出口段外弧拉應力最大。以上3種應力疊加,形成了開裂的應力因素。

   在高溫過熱器運行期間,由于工作溫度正好是其敏化的溫度區間(500～850℃),在該溫度區間內,晶界附近的碳元素因固溶度下降(相對于固溶處理溫度),但仍有較高的遷移能量,并率先與晶界附近的鉻元素結合而向晶界析出。由于碳原子尺寸小,遷移速度較鉻原子快很多,所以遠離晶界的碳不斷向晶界附近遷移并與鉻結合向晶界析出,從而造成晶界附近貧鉻。晶界附近貧鉻直接導致該部位喪失鈍態(不能形成連續的含鉻氧化膜,正是該氧化膜決定奧氏體不銹鋼的抗氧化、抗腐蝕能力),使晶界弱化,弱化的晶界在進口段彎管內弧和出口段彎管外弧較大拉應力作用下,晶粒間的貧鉻區受爐內氣氛氧化腐蝕作用產生外表面裂紋,裂紋沿晶界逐漸發展,最終開裂。隨著運行時間的延長,碳元素的遷移和其碳化物向晶界的析出逐漸減緩,而鉻元素也逐漸從稍遠于晶界的位置慢慢遷移補充到晶界附近,晶界貧鉻得到緩解和改善。因此,不銹鋼彎管運行一段時間后該類型的環向開裂將逐漸減少至很少發生,這個時間一般在1年左右。

  TP347H不銹鋼中加入了一定量的與碳元素親和力比鉻元素強的鈮元素,能夠形成鈮元素和碳元素的結合物來防止鉻元素與碳元素的結合。要發揮鈮元素的作用,還需在鋼管出廠前的固溶處理后進行穩定化處理。根據ASMESA2213規定,需訂貨方要求后才可對TP347H不銹鋼管進行穩定化處理。

五、結論

    1～3號奧氏體不銹鋼高溫過熱器管彎管開裂是鋼管未進行固溶處理,運行時受管子加工殘余應力、彎管殘余應力、熱膨脹應力共同作用造成的沿晶氧化腐蝕開裂。不規范固溶處理造成金相組織中存在滑移線和較多析出物及屈服強度較高的鋼管,應謹慎使用,特別不應用于彎管。加強對彎管內、外弧面的表面探傷,一旦發現表面裂紋立即更換。嚴格要求鋼管廠對管子進行固溶處理后供貨,對TP347H、TP321等含鈦、鈮的奧氏體不銹鋼管要求在固溶處理后進行穩定化處理，特別是用于彎管的材料。