刘磊，姚祥宏，冯冠军，尚建路，后小军

1.深圳能源集团股份有限公司东部电厂 广东深圳 518120

2.苏州热工研究院有限公司 江苏苏州 215004

1 序言

深圳能源集团股份有限公司东部电厂3台三菱燃气轮机组分别于2006－2007年相继投入运行，透平进口温度1350℃，出力234.2MW。型号M701F3重型；压气机级数17；压气机压比17；透平级数4。三菱燃气轮机的透平冷却空气系统（Turbine Cooling Air，TCA）执行两个基本功能：①给暴露在烟气通道、温度高于工作金属温度极限的部件提供直接冷却。②给透平环境控制提供服务。因此，TCA冷却效果直接影响着燃气轮机透平的安全运行和燃气轮机出力[1]。

东部电厂燃气轮机TCA换热鳍片管于2013－2014年度进行改造，改造后的鳍片管设计尺寸为φ25.4mm×1.829mm，材质为TP304H（ASME SA 249）。其运行情况：设计进口最大温度485℃，出口温度为340℃，设计压力1.86MPa。

1#机组在2019年5月发现TCA换热管出现泄漏情况。为分析泄漏原因，查阅TCA现场安装制造、运行记录，同时对1#机组TCA鳍片管开裂位置及周边进行宏观检查、理化检验分析，以确定泄漏原因[2，3]。

2 宏观与渗透检测

如图1所示，对泄漏管口进行宏观检测，发现管孔附近存在明显的裂纹。断口表面齐整，呈现金属光泽，符合脆性断裂特征形貌，部分断口已被氧化，呈现灰色状态。将鳍片管剖开后，内部存在严重的点腐蚀，存在较多的腐蚀坑，呈现黑色状态。将内壁打磨清理后，进行表面渗透检测，内壁布满细小裂纹，裂纹沿环向分布，长度不一，少量位置已经裂穿。

图1 泄漏位置裂纹形貌、内壁宏观情况

3 理化检验

3.1 化学成分分析

对泄漏位置附近管口取样进行化学成分分析，根据ASME SA 249 规定，TP304H钢主要化学元素含量检测结果见表1，符合标准要求。

表1 TP304H钢化学成分（质量分数） （%）

3.2 微观组织观察

对内壁环向裂纹较多、无表面泄漏现象纵向截面进行金相取样并观察，微观组织形貌如图2所示，微观组织为奥氏体，晶内可见孪晶亚结构，晶界清晰，无老化现象，晶粒度为4～5级，符合ASME SA 249标准（≤7级）。

由图2a可见，靠内壁侧裂纹主要沿晶界扩展，为晶间裂纹，裂纹附近存在晶粒剥离现象；裂纹向外壁侧过渡，由晶间裂纹向穿晶裂纹过渡，过渡至靠外壁侧，穿晶裂纹呈树枝状形态，分叉较多；由图2b可见，靠近鳍片位置已经裂穿，另外一处裂纹也接近裂穿。

图2 裂纹微观组织形貌

3.3 扫描电镜观察

对泄漏断口位置取样进行扫描电镜观察，如图3所示。其中，图3a为典型的脆性沿晶断口，几乎没有塑性变形痕迹，晶界表面较为光滑，二次裂纹沿晶扩展；图3b为沿晶断口至穿晶断口过渡交界处，伴随着解理台阶的产生。

图3 泄漏断口位置扫描电镜观察

如图4a所示，在单颗晶粒上存在少量析出相或氧化物；图4b为沿晶断口加上部分解理断口，解理断口为“河流”花样；图4c微观形貌特征为“扇形”花样加“河流”花样解理断口，且图中存在“扇柄”，呈放射状向前扩展；图4d微观形貌特征为“人字条纹”花样加“河流”花样解理断口。

图4 断口形貌

对内壁环向裂纹较多及无表面泄漏现象的纵向截面试样进行电镜观察（抛光态），发现靠内壁侧裂纹晶界处存在腐蚀坑、氧化产物，有晶粒剥离现象，在内壁侧发现局部点腐蚀区域，如图5所示。

图5 沿晶裂纹位置电镜观察

3.4 能谱分析

对泄漏位置断口、内壁环向裂纹较多及无表面泄漏现象的纵向截面试样（抛光态）均进行能谱扫描分析。如图6所示，对泄漏位置靠内壁侧沿晶断口进行局部面扫描（位置1），发现位置1存在Cl元素，wCl=0.13%；同时Cr、Ni含量均低于标准要求，wO=12.27%。

图6 沿晶断口局部面扫描

表2 能谱分析结果（质量分数） （%）

对纵向截面试样沿晶裂纹位置（抛光态）进行能谱线扫描分析（见图7），在晶界处C、Cr、O含量均陡然升高。

图7 沿晶裂纹线扫描

4 分析与讨论

通过理化检验、扫描电镜分析，可得出以下结论。

1）试样化学成分符合ASME SA 249要求。

2）微观组织为奥氏体+孪晶，晶界明显清晰，无老化现象，晶粒度为4～5级，符合ASME SA 249要求；裂纹主要沿晶界扩展，裂纹附近存在晶粒剥离现象；裂纹向外壁侧过渡，由晶间裂纹向穿晶裂纹过渡，过渡至靠外壁侧，穿晶裂纹呈树枝分叉状。

3）内壁侧为脆性冰糖状沿晶裂纹断口，晶界上有细小裂纹，为典型晶间型应力腐蚀断口，并且逐渐过渡至解理断口；在晶界处存在腐蚀坑、氧化产物，有晶粒剥离的现象，在内壁边缘，发现局部点腐蚀区域[4]。

4）沿晶、穿晶断口、晶界处均存在Cl元素，Cr、Ni含量均低于标准要求；在晶界处C、Cr、O元素含量均陡然升高，C、Cr元素逐渐向晶界聚集，形成Cr23C6并且沉淀，在晶界析出[5-7]。

在断口、晶界处均发现Cl元素的存在（符合TCA换热管道汽水介质），TP304H奥氏体不锈钢对Cl元素具有应力腐蚀的敏感性，TCA换热鳍片管在运行过程中，受到拉应力的作用，逐渐造成TP304H鳍片管的应力腐蚀，最终脆性断裂（也叫氯脆）。

5 结束语

鳍片管泄漏原因是长期受拉应力作用，在潮湿含氯离子的腐蚀环境下，逐步造成TCA鳍片管内壁应力腐蚀，形成脆性断裂。建议对TCA换热鳍片管模块做进一步检查，如内窥镜检查其他管壁内部是否存在腐蚀、裂纹形貌，割管取样抽查其他鳍片管的微观组织与性能。