刘世刚,黄桥生,陈 琨

(国电科学技术研究院,湖北 武汉 430000)

1000MW超超临界机组高温再热器管弯头失效分析

刘世刚,黄桥生,陈 琨

(国电科学技术研究院,湖北 武汉 430000)

对某电厂1000MW超超临界机组高温再热器管HR3C弯头失效进行了分析，采用了宏观检查、化学成分分析、显微组织分析、硬度试验、扫描电镜能谱分析和机械性能试验等方法。结果表明：弯头弯制过程中形成的残余应力，和由于外背弧面碰撞产生的凹坑导致的应力集中，管子在启停炉及水压试验等受到冲击载荷时，材料的韧性降低以及晶界的弱化效应，在该区域的晶界处会优先形成裂纹源，并沿晶界发展，贯穿整个管壁导致失效。

超超临界 ；高温再热器 ；HR3C ；弯头；失效分析

HR3C是在TP310基础上，通过复合添加Nb、N合金元素研制出的一种新型耐热钢。HR3C在ASME标准中的材料牌号为SA213-TP310HCbN，具有优良的耐高温性能，是目前超超临界机组锅炉烟温较高区域的过热器、再热器的首选材料[1]。

某电厂某台1000MW超超临界变压直流炉在某次A修后水压试验时发现炉B侧从右向左数第四屏高温再热器炉后最外圈下弯头泄漏，该高温再热器管子材质为HR3C，规格φ57×4mm，截止泄漏时，共运行约15000h。

1 宏观检查

该高温再热管泄漏位置在锅炉B侧从右向左数第四屏高温再热器炉后最外圈下弯头。检查发现泄漏管子的管径无明显胀粗，裂纹处管壁无减薄，弯管横截面的不圆度较大，弯制时变形较大。弯管泄漏处背弧外表面呈褐色，氧化层较薄，裂纹位于管子背弧，裂纹呈十字形，长裂纹约47mm，短裂纹约21mm，裂纹产生区域有明显的碰撞痕迹(凹坑)，纵向裂纹贯穿管壁，从而发生泄漏。

2 化学成分分析

用Compact port BELEC直读光谱分析仪对弯管进行化学成分分析，分析结果如表1所示。该高温过热器管主要元素含量均符合标准SA-213/SA-213M的要求。

表1 高温再热器化学成分 %

3 金相组织分析

按图1(a)所示，在弯管裂纹处和距裂纹较远端头分别取横截面进行金相分析，依次编为1号和2号。从抛光后未腐蚀的裂纹形貌，可以看出，裂纹起源于外壁，并由外壁向内壁扩展，在主裂纹旁边，分布有大量的二次裂纹。

图1(b)和图1(c)为裂纹处的金相组织，组织均为为奥氏体+析出相，基体中含有孪晶组织和弥散分布的颗粒状析出物，晶界处形成连续的析出相，裂纹沿晶扩展。此段弯管的晶粒度为5.5级，符合标准SA-213/SA-213M的要求。

图1 弯管宏观形貌及裂纹处金相组织

4 扫描电镜及能谱分析

在1号试样裂纹附近进行SEM和EDS分析。图2(a)为裂纹处的SEM图像，裂纹为沿晶开裂。图2(b)为裂纹附近金相组织的SEM图像，在奥氏体晶界处形成连续的析出相，在晶内有大量弥散分布的颗粒状析出相。选取晶内、晶界的析出相及奥氏体基体进行EDS分析(如图2(b)中位置1、2和3)，分析结果显示，晶内析出相的主要成分为C、Nb、Cr、N等元素，说明该粒子可能为MX相(NbC、NbN、NB(C、N)等)或NbCrN相(Z相)，是HR3C材料的主要强化相；晶界析出相含有大量的C、Cr、Fe等元素，说明该粒子可能为M23C6型碳化物或Fe和Cr等元素组成的脆性相σ相。

图2 裂纹及附近SEM形貌

5 机械性能分析

5.1 强度检测

用AIS 3000 compact便携式万能力学性能检测仪对材料强度进行检测。检测部位为1号和2号位置的背弧和中性面，其中1号的背弧测试部位为裂纹附近。试验结果如表2所示，测试结果表明弯管各部位的强度均满足标准SA-213/SA-213M的要求，但是裂纹附近的抗拉强度及屈服强度明显高于其他部位。

5.2 维氏显微硬度检测

分别对1号和2号管段的背弧、中性面和內弧进行维氏显微硬度测试，测试结果如表3所示。标准SA-213/SA-213M的相关条款规定，TP310HCbN的布什硬度应不超过256HB(相当于272HV)，表3的检测结果显示，1号背弧面的硬度值大于标准要求，表明弯管变形部位加工硬化较为严重，其余部位的硬度值符合标准要求。

表2 弯管室温拉伸性能

试样编号检测部位抗拉强度/MPa屈服强度/MPa备注标准要求(SA-213)/≥655≥295/1号背弧866420裂纹附近中性面738370/2号背弧776382/中性面737372/

表3 弯管硬度检测结果

试样编号测试部位测试结果(HV)123平均值备注1号背弧339328335334裂纹附近中性面248247250248/內弧248248252249/背弧266261267265/2号中性面233233232233/內弧263262269265/

6 原因分析

高温再热器弯管弯头管径无明显胀粗，管壁无减薄，该弯头是利用弯管机直接冷弯成型，冷弯后未再进行固溶处理，导致管弯制后存在的残余应力未消除性[2-4]，弯头背弧面存在碰撞产生的凹坑，产生应力集中。弯管的主裂纹存在于碰伤区，结合金相发现裂纹起源于管子外壁，判断该弯头裂纹起源于外壁凹坑处。

综合金相、SEM、EDS以及机械性能的试验结果，管子在高温高压工况下运行，随着服役时间的增长，大量的析出相在晶界及晶内析出，并在晶界处形成连续分布的析出相，使晶界粗化。晶界处的析出物为M23C6型碳化物及σ相，使Cr元素在晶界处的富集，导致临近晶界的基体出现贫Cr区，使此处的固溶强化作用降低，晶界变成薄弱区；晶界处连续分布的析出相(M23C6相、σ相)，对基体变形产生抑制作用，从而提高了材料的强度和硬度，降低材料的韧性；同时由于σ相的存在，可能会发生σ相脆化损伤性[5-10]。因此，管子在启停炉及水压试验等受到冲击载荷时，由于材料的韧性降低以及晶界的弱化效应，在应力集中区的晶界处会优先形成裂纹源，并将沿着晶界发展。

7 结论及建议

管子在弯制过程中存在着残余应力，弯头背弧面存在碰撞产生的凹坑，产生应力集中。在长期高温高压运行下，在晶界处析出大量连续分布的析出相(M23C6相、σ相)，导致其晶界弱化，材料韧性下降，在受冲击载荷作用下，在应力集中区的晶界处形成裂纹源，并沿着晶界发展，贯穿管壁导致泄漏失效。建议：割管更换泄漏的高再管，新换弯头须经过固溶淬火处理；检查其余高温再热器弯头部位是否还存在碰伤现象，对碰伤处进行渗透检测，并在每次停炉后都对碰伤区进行渗透检测，必要时进行割管检查；加强锅炉运行管理，防止超温超压运行。

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Failure analysis on the elbow bursting of final stage reheater tube of 1000MW ultra-supercritical boiler

Through the analysis of the failure and the macroscopic examination, chemical composition analysis, microstructure analysis, hardness test, SEM energy spectrum analysis and mechanical properties test method,the reason of the elbow bursting of final stage reheater tube used in an ultra supercritical boiler of a power plant was analyzed. The results show that the elbow bending process of the formation of residual stress, and due to the back arc collision pits resulted in stress concentrated, pipes in the furnace and the hydraulic pressure test of starting and stopping subjected to impact loading, the toughness of the material decreased and grain boundary weakening effect, in the region of the grain boundary will the preferential formation of the crack source, and along the grain boundaries of development, through the failure due to the pipe wall.

ultra-supercritical boiler；final stage reheater tube；HR3C；elbow；failure analysis

TM621

B

1674-8069(2017)02-060-03

2016-10-22；

2016-11-19

刘世刚(1982-)男，湖北十堰人，工程师，工学硕士，主要从事电站锅炉压力容器无损检验工作和金属材料的失效分析工作。E-mail: 13570488907@163.com