奥氏体不锈钢锅炉管的供货热处理状态对锅炉管安全运行性能的影响

  奥氏体不锈钢锅炉管在供货前应进行固溶处理,否则易造成部分锅炉受热面管的开裂泄漏。选取了3个电厂的奥氏体不锈钢过热器开裂弯管样进行试验分析,探讨固溶处理对该类锅炉管性能的影响。试验结果表明,奥氏体不锈钢高温过热器弯管开裂是因奥氏体不锈钢管未按标准进行固溶处理即供货,运行时在管子加工残余应力、弯管残余应力、热膨胀应力共同作用下造成了沿晶氧化腐蚀所致。对此,提出了相应的防止措施。

一、不锈钢锅炉管固溶热处理

  TP347H不锈钢管多用于锅炉受热面,在生产过程中,部分奥氏体不锈钢管在出厂前未进行固溶热处理,或固溶处理不规范,造成部分锅炉受热面管开裂泄漏，给锅炉管安全运行构成了威胁。文献规定1Cr19Ni11Nb(TP347H)钢的热轧管固溶温度应≥1050℃,冷拔管的固溶温度应≥1095℃;文献[5]规定所有TP347H不锈钢管须经固溶处理,热轧管的固溶退火温度高于1065℃,则会损害其随后在敏化条件下的抗晶间腐蚀性能。固溶处理就是将不锈钢加热到规定温度,然后迅速冷却,使碳化物和合金元素充分溶解到奥氏体中去,从而得到均一的奥氏体组织。制造过程中产生的残余应力是锅炉管在高温下发生变形和在拉应力及卤素离子共同作用下产生应力腐蚀开裂的主要原因,选用合适的固溶处理工艺,不但可以使合金元素充分固溶,还可以起到消除残余应力的作用。对于奥氏体不锈钢,必须至少在870℃下加热进行。对此,从3个电厂共选用了4段奥氏体不锈钢过热器弯管样(表1)进行试验分析,其中,1～3号管子为开裂的弯管,4号管为备用直管。

   1～3号开裂管具有类似的开裂特征,其中2号、3号开裂管如图所示。管子外表面光滑发黑未见有明显的腐蚀垢层,开裂部位均在弯头的内弧侧,裂纹比较平直,沿管子周向扩展且沿壁厚方向已裂透,裂纹旁边有泄漏孔且有被汽水冲刷减薄的痕迹,汽水冲刷处颜色发亮,应为周围管子泄漏冲刷所致。圆周中间裂纹较宽而在圆周两侧裂纹较细窄。在1～4号管样上制取粉末样进行化学成分分析,分析结果如表所示。按照文献[8]考虑C元素含量的上偏差为0.01%和Nb元素含量的下偏差为0.05%后,1～4号管样的各元素成分含量均符合ASMESA2213对TP347H不锈钢管的技术要求,但4号管样的铌元素含量偏低。

二、拉伸性能和硬度

   按照文献在1～3号管样裂纹附近的直管段、4号管段上取样进行常温拉伸性能试验,A、B部位分别对应于弯管的内、外弧面,拉伸试验机型号为CMT5205,拉伸试验结果如表3所示。由表3可知,1～4号管段的常温拉伸性能均符合ASMESA2213对TP347H不锈钢管规定的技术要求,其中4号管样的抗拉强度和屈服强度较高。在1～3号管样裂纹附近的弯管部位和4号直管样上加工环样,在环样横截面上每隔90°进行维氏硬度试验,试验机型号为FM2700,维氏金刚石压头,载荷9.807N,保持载荷14s,测试结果见表4。由表4可知,1～3号弯管样的维氏硬度明显高于4号直管样,不符合ASMESA2213对TP347H新钢管的维氏硬度值要求(≤200HV),这表明弯管的形变硬化严重。

三、金相组织和晶间腐蚀

   在1～3号管样的裂纹尖端处各取纵向金相样,在4号备用直管样上取横向金相样,4个金相样经砂纸粗、细磨和抛光后,用CuCl2浓盐酸酒精溶液进行浸蚀,然后在OLYMPUSGX71型光学显微镜下进行金相组织分析。分析表明,1～3号管的金相组织具有相同特征:组织均为奥氏体+孪晶+滑移线+析出物,裂纹为沿晶开裂而且有分叉,裂纹中有灰色腐蚀产物存在,有典型的沿晶氧化腐蚀特征。4号管样的金相组织为奥氏体+孪晶+滑移线+少量析出物。依据文献在2号管弯管部分的内、外弧侧分别制取试样进行晶间腐蚀试验,试样1、试样2为内弧侧,试样3、试样4为外弧侧,结果如图所示。从图可以看到,试样弯曲约90°有裂纹产生,按标准要求,压力加工件和焊接件试样弯曲角度应为180°,这表明2号管存在明显的晶间腐蚀倾向。

四、分析与讨论

   a. 1～3号管样具有相同的宏观开裂特征,投入运行的时间均较短(小于1年),泄漏前无明显的超温及管子胀粗、减薄现象;

   b. 1～4号管样的化学成分均合格;

   c. 1～4号管样的常温拉伸性能均符合相关标准,但4号管样的抗拉强度和屈服强度较高;

   d. 1～3号弯管样的维氏硬度已高于相关标准的要求,这表明弯管的形变硬化更严重;

   e. 2号管样存在明显的晶间腐蚀倾向;

   f. 1～4号管样的组织均为奥氏体+孪晶+滑移线+析出物,1～3号裂纹样均具有典型的沿晶氧化腐蚀特征。

    4号管样的较高屈服强度说明钢管的加工硬化在热处理中没有充分消除,固溶处理不规范;管样金相组织中均存在滑移线,应是在压力加工过程中产生的,加工后未进行固溶处理。奥氏体不锈钢锅炉管材料未按标准进行固溶处理,造成管子压力加工过程中的残余应力无法消除;管子弯制后未进行固溶处理,存在因局部塑性弯曲变形不一致而造成的弯管残余应力;运行中,管圈两边直管的温度差异造成的膨胀量差异将形成热膨胀应力,且由于出口段温度大于进口段,因此热膨胀造成进口段内弧和出口段外弧拉应力最大。以上3种应力叠加,形成了开裂的应力因素。

   在高温过热器运行期间,由于工作温度正好是其敏化的温度区间(500～850℃),在该温度区间内,晶界附近的碳元素因固溶度下降(相对于固溶处理温度),但仍有较高的迁移能量,并率先与晶界附近的铬元素结合而向晶界析出。由于碳原子尺寸小,迁移速度较铬原子快很多,所以远离晶界的碳不断向晶界附近迁移并与铬结合向晶界析出,从而造成晶界附近贫铬。晶界附近贫铬直接导致该部位丧失钝态(不能形成连续的含铬氧化膜,正是该氧化膜决定奥氏体不锈钢的抗氧化、抗腐蚀能力),使晶界弱化,弱化的晶界在进口段弯管内弧和出口段弯管外弧较大拉应力作用下,晶粒间的贫铬区受炉内气氛氧化腐蚀作用产生外表面裂纹,裂纹沿晶界逐渐发展,最终开裂。随着运行时间的延长,碳元素的迁移和其碳化物向晶界的析出逐渐减缓,而铬元素也逐渐从稍远于晶界的位置慢慢迁移补充到晶界附近,晶界贫铬得到缓解和改善。因此,不锈钢弯管运行一段时间后该类型的环向开裂将逐渐减少至很少发生,这个时间一般在1年左右。

  TP347H不锈钢中加入了一定量的与碳元素亲和力比铬元素强的铌元素,能够形成铌元素和碳元素的结合物来防止铬元素与碳元素的结合。要发挥铌元素的作用,还需在钢管出厂前的固溶处理后进行稳定化处理。根据ASMESA2213规定,需订货方要求后才可对TP347H不锈钢管进行稳定化处理。

五、结论

    1～3号奥氏体不锈钢高温过热器管弯管开裂是钢管未进行固溶处理,运行时受管子加工残余应力、弯管残余应力、热膨胀应力共同作用造成的沿晶氧化腐蚀开裂。不规范固溶处理造成金相组织中存在滑移线和较多析出物及屈服强度较高的钢管,应谨慎使用,特别不应用于弯管。加强对弯管内、外弧面的表面探伤,一旦发现表面裂纹立即更换。严格要求钢管厂对管子进行固溶处理后供货,对TP347H、TP321等含钛、铌的奥氏体不锈钢管要求在固溶处理后进行稳定化处理，特别是用于弯管的材料。