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1、奥氏体耐热钢高温长期运行后材质损伤分析设计制造二-第Z期总第69叭 20 0日年10月之曰 拄口.奥氏体耐热钢长期运行后材质损伤分析高华能南京电厂张欣原李志刚 华能国际电力股份有限公司张春雷 苏州热工研究院赵彦芬【 摘要】对火力发电厂过 热器(材质为ICr! SN i 12T j耐热钢) 的备品管、运行管、爆管的理化检验、晶间腐蚀试验,通过试验结 果 及服役损伤分析表明:对于含碳量大于0.。胡%的奥氏体不锈钢,晶间腐蚀的发生主要是由于在晶界上析出富格的碳化物C r z刀。,使晶界产生贫格区的结 果。而在6 50一75 0C(敏化区间 范围)最 易析出连 续的、网状 的例厂。,从而导致晶界弱化,
2、材料性能损伤。【关键字】奥氏体耐热钢服才封员伤队几在燃煤电厂中,高温承压部件中服役条件最为恶劣的是炉内受热面管,其中过热器、再热器的运行环境尤为苛刻。高温高压、蒸汽氧化、烟气腐蚀的综合作用下使得受热面管要求材料除具有高的蠕变强度外,还要求具有优良的抗蒸汽氧化性能和抗烟气腐蚀性能。奥氏体耐 热钢具有优良的综合性能:目前为止,从蠕变强度而言,铁素体类耐热钢使用上限:最高蒸汽温度59 3(金属温度6 20),高于此温度只能选择奥氏体钢;美国已逐步地应 用SS3O4M和5 53 4 7取代了下引钢,奥氏体耐热钢成本相对较低,焊接性能优良;当金属温度6 20,无热腐蚀;强腐蚀下,可推荐新型的20一50%
3、C奥氏体耐热钢。因此,随着锅炉机组参数的提高,在国内,奥氏体耐热钢已经大量的应用于过热器/再热器管等高温 承压部件。本文对华能南京电厂炉内受热面管所用ICr18N i12Ti(GB132 96一91)钢进行了材质检验、损伤评价等相关试验、分析工作。鉴于 目前对奥氏体耐热钢在长期运行后材质损伤的研究较少,希望本论文能提供一定的参考方法。1.试验材料试验材料取自华能南京电厂#1、2锅炉屏式过热器管。该锅炉于,99 4年投运,其中过热器出口蒸汽545、25 M尸a。试样选取 三种组态:1为备品管、2 #为运行4万多小时割管、3禅为爆管,图1为爆管宏观照 片,爆管段有明显涨粗,壁厚减薄。表1列出了与设
4、计钢种相匹配钢种的标准:前苏联O CT5632一72标准中12X18 H 12T、G B1329 6一91标准中ICr18N.12Ti钢、ASMESA一2 13/SA一2 1 3M标准中下尸321H钢。结果表明取样管的化学成分合格。气丘日臼片_.盛己 j口软刁_. 口. .图1不锈钢爆管外壁微裂纹电力技术、曰口设计制造电力技术三LECT RICPOWERTECHNOLOG Y第2期爵一表1化学成分分析编编号号状态态C C CSi i iS S SP P PCf f fNi i iT Mn n n1 1 1# # #备品品0.067 7 70.3 8 8 80.003 3 30.0 25 5 5
5、17.34 4 410. 9 3 3 30. 3 6 6 61.21 1 12 2 2 # # #运行行0.06 4 4 40.30 0 00.001 1 10,020 0 017 忍0 0 011. 0 1 1 10. 3 5 5 51.22 2 23 3 3 # # #爆管管0.07 4 4 40.35 5 50.002 2 20.025 5 517.5 0 0 011. 4 5 5 50.37 7 71.26 6 6O CT以沼2一72 12X 18H12T T T落0.12 2 2簇0.8 8 80.0 20 0 00035 5 51 7 0一19习习11. 0一13. 0 0 05.
6、C一0. 7 7 7蕊2 0 0 0G G GB13 296一9 llCr18 Ni12T 0.04一0. 10 0 00. 7 5 5 5沪0.0 30 0 00.0 3 0 0 017.00一20.00 0 09.0 0一13. 0 0 0 04. C一0.60 0 02刀0 0 0S S SA一2 13/SA一2 13MTP321H H H0.04一0. 10 0 00. 7 5 5 5蕊0.0 3 0 0 0毛0.0 4 0 0 01 7.00一20刀0 0 09. 0 0一13. 0 0 0 014一0. 60 0 0续2.00 0 02.试验内容2.1布氏硬度测试依据G Bf r2
7、3 1.仁2 。 。2金属布氏硬度试验方法,试样表面 经金相砂纸磨光达到一定表面粗糙度后在台式布氏硬度计下测试。测试设备为日O一187.5型布洛维硬度计。测试结果表 明:备品管、运行管硬度值符合ASME相关标准,但备品管硬度值波动范围较大;爆管段硬度有明显降低趋势。表2布氏硬度测试结果编编号号测试值值平均值值1 1 1# # #152、142、13 9 9 9144 4 42 2 2# # #14 6、15 0、146 6 614 7 7 73 3 3# # #136、13 6、13 5 5 5136 6 6A A ASMESA一2 13/SA一2 13MMM奥氏体类19 2 HB(90 HR
8、B) ) )2.2拉伸性能测试依据G日汀2 28一20 0 2“金属材料室温拉伸试验方法”和GBf l -4 338一95“金属材料高温拉伸试验方法”,在M丁S一8 80电液伺服试验机上进行室温、6 50下的拉伸性能测试。表3室温、高温力学性能试验结果室温状态备品管力学性能符合牌号标准要求;同备品管相比,运行管、爆管段性能已有明显降低,尤其爆管段,Rm已降至前苏联O C丁5 632-72标准的下限附近;高温状态运行管、爆管下降更为明显,Rm分别下降了14 oMPa和155MPa。室室室温温高温6 5 0R R R R RPO.2(MPa) ) )Rm(MPa) ) )A(%) ) )RPO.2
9、(MPa) ) )Rm(MPa) ) )A(%) ) )1 1 1# # #310 0 059 0 0 044 4 4168 8 84 4 0 0 019 9 92 2 2 # # #27 5 5 55 6 5 5 55 6 6 6163 3 3295 5 52 8 8 83 3 3 # # #255 5 55 40 0 05 2 2 2154 4 42 85 5 52 7 7 70CT5 632一72 2 219 6 6 653 9 9 9)40 0 0 0 0 0 0 0 0G G GB13 296一91 1 1205 5 5丈52 0 0 035 5 5 5 5 5 5 5 5A A A
10、SME TP321H H H2 05 5 5515 5 53 5 5 5 5 5 5 5 5 52.3晶间腐蚀倾向性检验依据GB4 334一90“不锈钢硫酸、硫酸铜腐蚀试验方法”,加工备品管和不锈钢出口段3一4 mm厚弧形条状试样,备品管经650x2 ,、时敏化处理,后将试样置于硫酸一硫酸铜一铜屑溶液中,通冷却水保持微沸状态16 ,J、时,取出洗净、干燥,采用弯曲法检查。检验结果:备品管不存在晶间腐蚀倾向,弯曲后经10x放大镜观察,试样外表面 无裂纹产生;经4万多小时运行后的不锈钢管弯曲后,宏观观察存在2/3试样壁厚的微裂纹,经金相检验皆为晶间开裂。吐幽rE L ECTRICPO习 盯ERTE
11、CH N OLOGY奥氏体耐热钢高温长期运行后材质损伤分析设计制造图2晶间腐蚀倾向性检验实例 (1)未发生晶间腐蚀(21已经发生晶间腐蚀图3运行管晶间腐蚀裂纹3 0x2.4微观组织形貌与微裂纹观察依据G日汀6 394一2 002“金属平均晶粒度测定方法”、GB/ T105 61一2005“钢中非金属夹杂物显微评定法”、O盯884一200 4“火电厂金相检验与评定技术导则”相关标准,对割管进行金相组织检验。金相组织见图4一7,A、B、C类夹杂小于1级、O类为1级,晶粒度为4一3级,晶粒度偏大,在GB132 96一91标准中规定ICr18Ni12Ti的平均晶粒度应为47级。备品管为奥氏体十大量孪晶
12、;运行割管奥氏体十晶界细小碳化物,晶界出现链状析出碳化物,晶界已粗化;爆管附近奥氏体+晶界细小碳化物,碳化物出现长大的趋势,外壁出现沿晶裂纹,内壁出现氧化层以及o. 15m m厚的细晶区,晶界均有细小碳化物析出。图6爆管处外壁沿晶裂纹200、图7爆管处内壁组织ZO Ox3、分析讨论3.1爆管失效分析不锈钢爆管及其相邻段外表面具有众多与轴向平行的沿晶微裂纹,断口观察及金相检验表明裂纹深度在几个晶粒范围内,断裂由外壁向内壁扩展;爆管段管径有明显涨粗,管壁有减薄;硬度、室温、高温拉伸强度同备品管相比有明显的降低趋势,室温拉伸强度已降至前苏联标准下限,高温下屈强比显著升高。不锈钢爆管的这些宏观、微观特
13、征,皆有助于说明由于管壁金属长期处于超温状态运行而导致的蠕变断裂。分析过程中,参照管壁当量温度经验公式以及球化分析法,计算出相邻的炉顶部密封箱内低合金钢管壁温度;并依据GB9222一88“水管锅炉受压 元件强度计算”标准中,对于屏式过热器管子的计算壁温为:介质额定平均温度十10 0,将密封箱内金属管壁温度看作介质温度,则屏式不锈钢管壁温度在7 00左右。高过爆管系由于管材处于不锈钢敏化区间(6 50一750 )范围运行,1Cr18Ni12Ti钢在此温度范围,表现为组织性质不够稳定,在晶界析出了C r 的碳化物,致使这种在原始状态不易产生晶间腐蚀现象的Cr一网一丁 i奥氏体不锈钢在高温运行过程中
14、逐渐转变为容易产生晶间腐蚀,在应力作用下管样沿外壁向内壁呈现沿晶开裂。最终导致屏过管长时超温爆管。3.2奥氏体耐热钢服役损伤不锈钢爆管系由于在外界长期超温的作用下以蠕变方式失效,呈现 了 同低合金钢失效方 式相类似的共性。但是,对于大量在役使用中的以不锈钢为材质的过热器管而言,值得注意和探讨的另一个重要问题 是不锈钢管本身在某一温度区间所体现的负面影响,即其晶界腐蚀现象,通常,发生较严重的电力技术、困孟么设计制造 第乙期电力技术E LECT R I C POWE RTE C H NOLO GY第2期总策6 9期一塑些竺晶间腐蚀温度范围在65 0一7 50之间。对于含碳量大于0 .030 %的奥
15、氏体不锈钢,晶间腐蚀的发生主要是由于在晶界上析出富铬的碳化物C 肠q,使晶界产生贫铬区的结果。铬的碳化物析出,是由于C在钢中的固溶度随温度而变化。不锈钢经固溶处理,使C过饱和溶于钢中,但如在500一700重新受热,过饱和的碳就要部分或全部的从奥氏体中析出,形成铬的碳化物(主要是C场C。)并连续分布在晶界上。析出的碳化物中铬含量高达75 %,而且在析出过程中,碳的扩散阻力小,能较快的到达晶界,而铬在奥氏体中扩散阻力大,所以形成碳化物时,必定要消耗晶界附近的铬,从而在晶界形成了铬含量小于 1 2%的贫铬区。加入钦元素,由于钦与碳的亲和力大于铬与碳的亲和力,使得在高温稳定化处理时形成稳定的碳化物T
16、I C,从而大大降低了钢中的固溶碳量,使铬的碳化物难以析出,因此这种 钢在原始状态不易产生晶间腐蚀。但ICr18 Ni12丁i钢由于长期在70 0的高温下运行,表现为组织性质不够稳定,在晶界仍然析出了Cr的碳化物,致使这种在原始状态不易产生 晶间腐蚀现象的Cr一N i一T i奥氏体不锈钢在高温运行过程中逐渐转变为容易产生晶间腐蚀,既产生大量的晶间裂纹现象。华能南京电厂屏式过热器割管检验结果表明,其备品管虽不具有晶间腐蚀倾向,但经4万多小时高温运行后,运行管却具有较严重的晶间腐蚀倾向性。当不锈钢管使用温度高于7 50时,析出的碳化物是孤立的颗粒,高温下铬也容易扩散,所以不会产生晶间腐蚀倾向。而温度低时,铬与碳的扩散速度变慢,需要 更长的时间才能产生碳化物析出。在6 50一750最易析出连续的、网状的Cr,多6,因此,对于不锈钢过热器管而言,即使不锈钢的热强性能和抗氧化温度允许不锈钢在更高温度下的运行,但由于不锈钢晶界腐蚀的存在,应尽量避开 晶间敏化温度区间6 50一75
