奥氏体不锈钢过热器管漏泄原因分析

奥氏体不锈钢过热器管漏泄原因分析

近年来，由于国内能源供氧量不足，许多电厂的实际燃料与设计不一致，锅炉的燃烧特性发生了变化。例如，200mw以上无论是否配备了12trlmov和钢102等材料的加热管道，研究表明，径向平面的膨胀和质量恶化加速了问题，严重影响了发电公司的安全运行。因此，它被称为高度加热强度和良好耐氧cr-ni的不锈钢管，但cr-ni-cr-ni相轴上的腐蚀趋势明显。此外，管道的供应是一种敏感的状态。随着服务时间的延长，一些捐赠者不锈钢管的泄漏事故也频繁发生。据研究，沿晶体的应力侵蚀是漏水的主要原因。2005年10月某电厂3号锅炉分隔屏过热器管漏泄事故具有一定的代表性,以其为例对此类漏泄的特征和产生原因进行分析研究,提出建议。某电厂3号锅炉是哈尔滨锅炉厂生产的HG-1025/17.5-HM5型亚临界压力自然循环一次中间再热锅炉。1998年12月安装,2000年6月投入生产试运行。2005年10月8日19:28,在运行期间“四管漏泄”在线监视系统报警,机组于次日21:53解列,停炉检查发现分隔屏左至右数第1大屏,前至后数第3小屏最外圈下部管炉后弯管开裂漏泄,造成外至内数第2圈相邻部位被吹伤减薄爆裂。漏泄处管材质为TP304(0Cr19Ni9),规格为ue001φ51mm×6mm。下面对开裂原因作以分析。1漏泄点周边管路特征分析首先对漏泄管进行了宏观分析,用目视和放大镜仔细检查漏泄点附近管材的宏观特征,其后将沿图1中A、B线切开,取下微观分析试样,对其不同区域(见图2)进行电子探针分析和金相分析。2试验结果2.1周边区域吹伤部位以外管子沿纵向漏泄,漏泄点位于弯头中性线偏外弧侧,长度约20mm,管径无明显胀粗,内外壁氧化皮不厚,附近区域(吹伤部位除外)管子外壁颜色黑亮,外表黑亮表征该处管材温度较高。切开后发现管内壁有未裂透裂纹,主裂纹总长约200mm。观察管内壁,发现裂纹主体沿纵向扩展,有分支,其周围约20mm宽的区域内还分布许多与主裂纹方向平行的未连通小裂纹和小点蚀坑,点蚀坑多且浅而大,该区域与外壁的黑亮区域对应,见图1。2.2漏泄管的合金成分在漏泄管上取样进行元素成分分析,分析结果见表1。由元素分析结果可以看出,漏泄管的合金成分符合我国国家标准《锅炉、热交换器用不锈无缝钢管》(GB13296—1991)和美国机械工程师协会标准《锅炉、过热器及热交换器用无缝铁素体和奥氏体钢管》(ASMESA213—1995)的要求。2.3元素与原子质量分数经用电子探针测试漏泄处、基体处(对应于图2中D、C区域)管子Cr、Fe、Cl的元素与原子质量分数见表2。从表2可以看出,管内壁存在Cl-,漏泄处有明显的Cl-聚集,而且Cr/Fe比值较高,具有典型的沿晶应力腐蚀特征。2.4点蚀和点蚀坑下微裂纹试样经磨制、抛光侵蚀后在光学金相显微镜下观察,发现内壁点蚀坑下存在大量的网格状微裂纹,裂纹内无腐蚀产物。有沿晶网状腐蚀和晶粒脱落,未发生点蚀处内壁组织状态完好;有的点蚀坑下有裂纹,说明点蚀已成为裂纹源。主裂纹以纵向为主,周围晶粒脱落多,基体组织中晶粒大小不均,细晶粒较多,见图3。3点腐蚀及沿晶应力腐蚀漏泄管内壁氧化皮去除后,发现有许多大而浅的点蚀坑,表明管材已发生了点腐蚀,点腐蚀在制造或运行期间均可能发生。断面金相组织还表明,晶间网状裂纹是发生在点蚀坑的下面,说明点蚀坑是裂纹源。表面有钝化膜或保护膜的金属,尤其是奥氏体不锈钢,在侵蚀性阴离子(如氯离子)与氧化剂(如氧离子)共存的介质中易发生点蚀及沿晶应力腐蚀。在正常的运行条件下,分隔屏过热器管内壁会形成致密的Cr2O3钝态膜,保护内部金属免受腐蚀,但是,由于某种原因(锅炉启停保护不当等因素影响致使干态蒸汽停炉凝结后浓缩、水压试验或其他途径带来的残留物等)氯离子、氧离子及其他一些氧化性离子进入汽水系统,将会形成特定的腐蚀环境,Cr2O3钝态膜会在上述离子的共同作用下被破坏,即发生了受热面管内表面的点腐蚀及沿晶应力腐蚀。一般情况下,管子内表面残留物越多,管壁温度越高,介质浓缩越大,则腐蚀越严重。漏泄管内表面主裂纹周围分布众多未连通的小裂纹和小点蚀坑的区域与外壁的黑亮高温区域相对应,该区域管材温度高与管子内表面状态不好有关,漏泄处管子出列,局部烟气流速大等原因也可能导致此种情况的发生。应力及加工变形也是引发管材破坏的重要因素。锅炉正常运行时,过热器管承受的内压约为17.50MPa,由此引起的管子内壁周向应力是纵向应力的2倍。同时作用在管子上的应力还有:生产过程中的冷拔、固溶处理和校直的残余应力;制造和安装中弯管和焊接及焊后热处理后的残余应力;运行中烟气冲击、管排振动产生的应力;锅炉启停过程中的热应力等。而加工变形使奥氏体钢管材的位错密度增大,表面处于敏化状态,在运行中易发生点蚀。内表面的点蚀坑、微裂纹具有裂缝微区环境效应,腐蚀介质进入裂缝后很难被汽水带走,在应力的作用下使遭到腐蚀破坏的晶界分开,应力腐蚀裂纹由此萌生。这些应力的叠加效果是造成晶间应力腐蚀纵向裂纹的应力因素,在表面点蚀坑处引发应力腐蚀。在100℃时TP304不锈钢发生应力腐蚀需要的Cl-质量分数为5×10-2以上,但在300℃时质量分数为10-4Cl-的水就很容易使钢管发生开裂,随着温度的升高该临界浓度将更低。另外,即使Cl-质量分数很低,低于10-6,但只要溶解氧的含量足够大,敏化的不锈钢仍会发生沿晶应力腐蚀破裂。漏泄的分隔屏过热器管材已经受到了Cl-和氧离子的侵蚀;同时,金相分析结果表明,漏泄管组织中存在大量的细晶粒,使其局部的腐蚀敏感性增大,为点腐蚀的发生提供了条件。Cr18-Ni8系列奥氏体不锈钢成熟已久,是目前使用最广泛的不锈钢,但该材料存在500~800℃温度下长期服役时易发生晶间腐蚀或应力腐蚀的问题,而运行期间分隔屏过热器管壁温度正好在此范围之内,所有这些均为沿晶应力腐蚀的发生提供了条件。由于发生晶间腐蚀和应力腐蚀的根本原因富Cr碳化物在晶界大量析出造成晶界弱化,目前较为方便和通用的补救办法是降低材料的碳含量或者加入稳定的碳化物形成元素Ti和Nb,促进析出特殊碳化物,消除晶间贫Cr区。4强化对钢管进行及其变形的监督检测分隔屏过热器管漏泄原因是管材发生了沿晶应力腐蚀,沿晶应力腐蚀的发生是介质、应力、温度和加工变形量联合作用的结果。针对以上结论,提出如下建议。a.选择时机检查类似位置的受热面管是否存在出列现象,并检查其外表面状态,发现出列及有黑亮高温区域的管子应及时处理,防止再次漏泄;b.校核化学专业的氯、氧元素监视表计,保证其监测数据准确;c.加强锅炉给水和运行操作的管理及控制,检修停炉期间采取必要的