电站锅炉奥氏体不锈钢管晶间腐蚀开裂分析

谭晓蒙，邢敬舒，田 峰，陈 浩，张 涛

（1.内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020；2.国网内蒙古东部电力有限公司经济技术研究院，内蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

奥氏体不锈钢由于其较高的蠕变强度和优良的耐蚀性，广泛应用于电站的高温受热面管、流体输送管等部件［1］。由于服役环境恶劣以及加工工艺不当，电站锅炉中的奥氏体不锈钢管道开裂泄漏故障时有发生［2-4］。通过对大量奥氏体不锈钢管开裂失效原因分析总结，发现不合理的焊接热处理、冷加工所引发的晶间腐蚀开裂是失效的重要原因。为保障电站的安全稳定运行，减少因奥氏体不锈钢管道开裂泄漏引发的停机，对常见的奥氏体不锈钢管道晶间腐蚀开裂失效原因进行分析探讨，以期对服役在相似环境下的奥氏体不锈钢管道的焊接、热处理提供参考。

1 奥氏体不锈钢管道的晶间腐蚀开裂

电站中奥氏体不锈钢管道的服役温度常常处于奥氏体不锈钢的敏化温度区间内，在运行过程晶间腐蚀倾向严重，受到热胀应力、焊接残余应力的影响，极易发生晶间腐蚀开裂。为研究电站锅炉奥氏体不锈钢管道晶间腐蚀开裂原因及其防护措施，提高服役安全性，对某地区电站近年来部分奥氏体不锈钢管道开裂泄漏失效案例进行分析，结果见表1。可见，电站中奥氏体不锈钢管道晶间腐蚀开裂多发于焊接接头附近及弯管处，且开裂管材质均为非稳定化奥氏体不锈钢（TP304H）。

表1 某地区电站锅炉奥氏体不锈钢管道开裂失效原因

1.1 焊接对晶间腐蚀开裂的影响

焊接是电站锅炉、汽机、连接管道等部件最主要的接合工艺。奥氏体不锈钢管道间的对接、与其他部件的连接均大量使用焊接工艺。奥氏体不锈钢管道的焊接过程中，不当的焊接工艺会使得焊缝附近长时间处于敏化温度区间，造成钢管敏化，降低钢管的塑韧性和耐腐蚀性能；而且在电站锅炉运行中，管道受到焊接应力、热胀应力、加工残余应力的作用，易使其在锅炉的氧化气氛中沿晶界开裂［5］。焊接工艺控制不当，以及焊后未正确进行固溶处理（或稳定化处理）是电站奥氏体不锈钢管道焊缝及其热影响区晶间腐蚀开裂的重要原因。

1.2 冷弯加工对晶间腐蚀开裂的影响

冷弯加工是电站中奥氏体不锈钢管道使用较多的冷加工工艺。国内标准中对弯管后的热处理无明确要求，因而锅炉制造厂在生产奥氏体不锈钢管时，一般只需满足ASME 标准“奥氏体材料的冷加工成型”中要求：只要将管子的公称外径与管子中心线公称弯曲半径的比例控制在一定范围，即可在冷加工后免做固溶处理［5］。在实际生产中，锅炉制造厂、钢管制造厂一般会控制弯曲加工量在规程要求极限附近，从而免于固溶处理工序，但由于工艺控制等因素，实际加工变形量可能会超过标准，而且在电站的装配过程中，还存在现场进行的冷弯加工，无法对加工量进行正确控制，这使得部分弯管残留较大的弯曲应力。而奥氏体不锈钢受热面管常常服役于其材质的敏化温度区间内，在弯管处残余应力的作用下，造成沿晶开裂，进而引发事故。

2 典型案例分析

某电站300 MW 亚临界锅炉屏式再热器TP304H钢管多次发生开裂，钢管外壁焊有大量抓钉（固定浇注料用）。现场事故分析中发现，屏式再热器钢管裂纹分布于鳍片及抓钉焊接热影响区附近，裂纹沿周向开裂，如图1 所示。屏式再热器管屏有较大弯曲形变，管壁开裂处变形量较大，如图2 所示。表2 为电站锅炉常用受热面管材料在400～500 ℃间的膨胀系数，可见相比于其他锅炉管材料，TP304H 奥氏体不锈钢线膨胀系数较大。在运行过程中，TP304H 管屏受热发生膨胀，如果轴向膨胀受阻，则发生弯曲变形，从而在钢管局部残余较大的弯曲应力。

图1 屏式再热器TP304H 钢管开裂失效形貌

图2 屏式再热器管屏弯曲变形

表2 锅炉管常用材料在400～500 ℃之间线膨胀系数

对开裂的钢管从裂纹处取样进行显微组织分析，如图3 所示。裂纹由外壁沿晶界向内壁扩展，并伴有晶粒脱落。裂纹处奥氏体晶内存在大量滑移线，可见开裂处管段有较大变形量及残余应力。对相邻的屏式再热器管进行检验，发现多根钢管外壁有沿晶裂纹和晶粒脱落现象。

屏式再热器管屏需在该位置焊接抓钉以固定防磨浇注料，抓钉焊接与鳍片焊接均在现场完成，焊接后未进行固溶处理。密集的抓钉焊接所产生的循环热会使得奥氏体钢管处于敏化温度区间内，在晶界上析出M23C6（M=Fe、Cr）型富铬碳化物，这种沿晶界析出的铬的碳化物导致其周围基体中的铬浓度的降低，形成所谓“贫铬区”［6］。当铬的碳化物沿晶界析出呈网状时，贫铬区亦连接呈网状。运行中管屏膨胀不畅所造成的弯曲变形使得管屏局部残存较大的弯曲应力，而钢管的预变形会加快贫铬区的形成［7］。当贫铬区的体积分数达到一定数值时，奥氏体不锈钢会发生晶间脆化，并在热胀应力、弯曲应力的诱导下在管壁形成宏观上的周向裂纹。

图3 开裂屏式再热器钢管显微组织

3 预防措施

3.1 不锈钢材质更换

一般情况下，非稳定化奥氏体不锈钢不进行焊后热处理。DL／T 869 《火力发电厂焊接技术规程》中规定奥氏体不锈钢管，采用奥氏体焊接材料焊接，其焊接接头不宜进行焊后热处理［8］；文献［9］ 认为奥氏体不锈钢焊后热处理会引发再热裂纹倾向。因而对于非稳定化奥氏体不锈钢管道由于焊接造成管材敏化，进而发生晶间腐蚀开裂的问题，宜采用材质更换，如更换为稳定化奥氏体不锈钢（如TP347H）来解决。在实际生产运行中，稳定化奥氏体不锈钢管较少发生由于晶间腐蚀引发的沿晶开裂失效。并且，更换材质后，应严格把控焊接工艺，采取低电流、小热输入量的焊接工艺，焊后应加快冷却速度，并根据材质进行相应的固溶处理。

3.2 不锈钢的热处理

奥氏体不锈钢管的热处理主要有固溶处理、稳定化处理、去应力处理。电站中的奥氏体不锈钢管道运行环境较为恶劣，运行中常处于敏化温度区间或者腐蚀环境中，因此若管材在冷加工后热处理不足，残存的应力会加速不锈钢钢管的晶间腐蚀开裂或引发应力腐蚀。生产制造过程中，应严格控制冷加工变形量，并在加工变形后根据钢管材质对钢管进行相应的固溶处理或去应力处理。

4 结语

焊接过程的循环热会使得非稳定化奥氏体不锈钢处于敏化温度区间内，继而诱发晶间腐蚀，在外加、残余应力的作用下，极易发生沿晶开裂。因此，需大量焊接或晶间腐蚀开裂多发处管屏管材应更换为稳定化奥氏体不锈钢。

电站锅炉中奥氏体不锈钢管道多服役于恶劣环境（敏化温度区间、腐蚀环境）中，运行中管道晶间腐蚀倾向严重，而管道的冷弯加工变形量过大或固溶处理不足，就会在弯管处残余较大应力，进而诱发开裂失效。因此，应严格控制奥氏体不锈钢管道的加工变形量，并对变形量较大的管段进行相应的热处理。