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    超臨界鍋爐主給水鋼管1Cr18Ni9Ti 開(kāi)裂失效原因分析

    作者:董敬松 時(shí)間:2024-04-06閱讀數:人閱讀

    超臨界鍋爐主給水鋼管1Cr18Ni9Ti 開(kāi)裂失效原因分析

    采用宏觀(guān)分析結合理化試驗對某火力發(fā)電廠(chǎng)超臨界機組鍋爐主給水壓力取樣管進(jìn)行了宏觀(guān)觀(guān)察分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗、金相試驗和斷口微觀(guān)形貌分析,綜合分析認為,送檢的主給水壓力取樣管開(kāi)裂是由于管子所使用的鋼材中 Ti 和 Ni 元素含量偏低,降低了管子耐晶間腐蝕的能力。同時(shí) S 元素含量高,大大增加鋼的熱脆性,降低鋼的抗腐蝕能力。從而使管子在長(cháng)期的高溫高壓、應力以及環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的作用下,在管子最薄弱的彎頭外背弧部位外壁開(kāi)始萌生晶間腐蝕裂紋,最終由于晶間腐蝕裂紋的逐漸擴展導致開(kāi)裂失效。本文針對鍋爐主給水壓力取樣管開(kāi)裂失效進(jìn)行原因分析,提出了預防措施。


    一、概述

    2021 年 6 月 ,某火力發(fā)電廠(chǎng)聯(lián)合某電力設備研究院對開(kāi)裂失效的主給水壓力取樣管進(jìn)行失效分析。送檢樣品外觀(guān)形貌如圖 1 所示,管子材質(zhì)為 1Cr18Ni9Ti,管子工作溫度為 400 ℃,工作壓力為 26 MPa。主給水取樣管送檢樣品是一段中間無(wú)焊接接頭的管子,中間為直管段,兩端各有一個(gè)彎管段,如圖 1(a)所示。直管段外形完整,彎管段有一端開(kāi)裂,裂紋如圖 1(b)所示。

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    圖 1 (a)送檢主給水壓力取樣管樣品全貌以及(b)開(kāi)裂處局部形貌


    二、試驗方法及依據標準

      宏觀(guān)觀(guān)察分析

      火花源原子發(fā)射光譜分析

      布氏硬度試驗

      金屬顯微組織檢驗

      斷口的 SEM+EDS 分析

      試驗方法

    2.2 依據標準

    1)GB/T14203-2016《火花放電原子發(fā)射光譜分析法通則》

    2)GB/T14976-2012《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》

    3)GB/T230.1-2004《金屬洛氏硬度試驗 第 1 部分:試驗方法》

    4)GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗 第 1 部分:室溫試驗方法

    5)GB/T 10561-2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》

    6)GB/T 6394-2017 《金屬平均晶粒測定方法》


    三、試驗分析及結果

    對送檢主給水壓力取樣管樣品進(jìn)行線(xiàn)切割取樣,具體取樣位置如圖 2 所示。其中拉伸和成分試樣在圖 2(a)所示直管段截取,金相及斷口試樣在圖 2(b),彎管開(kāi)裂處截取。

    62c52663be98b_html_124e3da11f158527.jpg  62c52663be98b_html_566d751a7e2b3c4e.jpg

    圖 2 送檢試樣取樣位置示意圖


      四、宏觀(guān)觀(guān)察分析

    從圖 1(b)可以看出,裂口位于彎頭外背弧中線(xiàn)位置,裂口最大張口約 12mm,裂口邊沿未見(jiàn)明顯減薄,裂口兩端尖銳。樣品表面呈灰黑色。


      五、材料化學(xué)成分檢測

    采用德國 Foundry Master 臺式真空火花發(fā)射光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,檢測結果如表 1 所示。檢測結果將與 GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》標準中 1Cr18Ni9Ti鋼的標準成分進(jìn)行對比分析。

    檢測結果表明:與國家標準相比,送檢的主給水壓力取樣管的 S 含量是標準規定上限值的兩倍,同時(shí) Ti 和 Ni 元素的含量偏低,其他元素均符合 GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》標準中 1Cr18Ni9Ti 鋼的標準成分要求。

    表 1 材料化學(xué)成分分析結果

    • 檢測項目

      化學(xué)成分

      方法/產(chǎn)品標準

      GB/T 14203-2016/ GB/T 14976-2012








      化學(xué)成分wt.%

      項目參數

      標準要求1Cr18Ni9Ti

      檢測結果

      (平均值)

      Fe

      Bal.

      70.8

      C

      0.12

      0.0848

      Si

      1.00

      0.723

      Mn

      2.00

      1.72

      P

      0.035

      0.0320

      S

      0.030

      0.0635

      Cr

      17.00~19.00

      18.0

      Mo

      --

      0.183

      Ni

      8.00~11.00

      7.30

      Al

      --

      0.0750

      Co

      --

      0.0972

      Cu

      --

      0.496

      Nb

      --

      0.0426

      Ti

      5(C-0.02)~0.80

      0.198

      V

      --

      0.0923

      W

      --

      0.0352

      單項判定

      /

      不符合

      備注

      S、Ni、Ti 元素含量不符合標準

    注:標中標準成分除標明范圍及特殊說(shuō)明外,均表示最大含量


      六、材料洛氏硬度檢測

    依據 GB/T 230.1-2018《金屬洛氏硬度試驗 第 1 部分:試驗方法》,采用 HRD-150 型洛氏硬度計對送檢的主給水壓力取樣管試樣進(jìn)行洛氏硬度測試。測試條件為金剛石圓錐壓頭, 載荷 150 kg,保壓時(shí)間為 10 s。由于 GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》標準中未規定鋼管的硬度要求,參考 GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》標準中 1Cr18Ni9Ti 鋼的硬度標準與測試結果進(jìn)行比較。試驗結果與標準要求如表 2 所示。試驗結果表明:送檢主給水壓力取樣管硬度平均值符合標準要求。

    表 2 主給水壓力取樣管硬度測試結果


    序號


    1


    2


    3


    平均值/HRB

    參考標準值

    /HRB

    外壁硬度值

    /HRB


    28


    27


    27


    27


    ≤90

    內壁硬度值

    /HRB


    50.0


    51.0


    49.1


    50.0

    ≤90


      七、材料拉伸性能測試

      根據 GB/T 228.1 - 2010《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》,在圖 2(a)所示紅色矩形區域制取拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗。實(shí)驗結果如表 3 所示,與 GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》標準中要求的 1Cr18Ni9Ti 鋼的力學(xué)性能指標對比,可以看出,送檢試樣直管段的拉伸性能符合 1Cr18Ni9Ti 鋼的技術(shù)要求。

    表 3 主給水壓力取樣管拉伸性能測試結果

    表3.jpg


    八、材料金相組織分析

    根據 GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》,采用 Leica-DMI5000 金相顯微鏡,對送檢主給水壓力取樣管金相試樣進(jìn)行非金屬夾雜物等級評定、晶粒度評定和金相組織分析。


    九、非金屬夾雜物的評定

    裂紋附近區域管橫截面和外表面金相試樣(試樣示意圖如圖 3 所示)的拋光態(tài)如圖 4 所示。根據 GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》,采用Leica-DMI5000 金相顯微鏡對送檢主給水壓力取樣管金相試樣(拋光態(tài))進(jìn)行材料冶金質(zhì)量分析。

    測試結果顯示,裂紋附近區域存在少量的非金屬夾雜物。通過(guò)與標準評級圖比較后,圖4(a)中夾雜物判定為 D 類(lèi) 1.5 級細系環(huán)狀氧化物;圖 4(b)中夾雜物判定為 D 類(lèi) 1 級細系環(huán)狀氧化物。未觀(guān)察到其他類(lèi)型非金屬夾雜物。判定結果總結如表 4 所示。

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    圖 3 金相試樣示意圖

    Shape1 Shape2
    圖 4 夾雜物:(a) 開(kāi)裂區附近管橫截面;(b) 開(kāi)裂區附近管外表面

    表 4 主給水壓力取樣管非金屬夾雜物判定結果

    表4.jpg

    此外,在裂口端部附近的管子外表面觀(guān)察到晶間腐蝕裂紋,裂紋從管外壁表面沿晶界向內壁方向擴展,并有晶粒脫落,如圖 5 所示。

    Shape3

    圖 5 靠近裂紋端管橫截面邊緣(a)和靠近裂紋端管外表面邊緣(b)


    十、晶粒度評定

    對拋光態(tài)金相試樣進(jìn)行腐蝕,腐蝕劑為王水(硝酸:鹽酸 = 1:3),根據 GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度評定》對腐蝕態(tài)金相試樣進(jìn)行晶粒度等級評定。圖 6 為經(jīng)腐蝕后試樣的金相組織。1Cr18Ni9Ti 為含 Ti 的不銹鋼,基體組織為細小的奧氏體晶粒。如圖 6(a)和(c) 所示為管橫截面和外表面的金相組織,白色細小晶粒為奧氏體晶粒,部分呈孿晶分布。與標準評級圖比較后,晶粒度評定為 9.5 級。

    Shape4 Shape5

    圖 6 裂紋附近金相組織:(a) 管橫截面;(b) 管外表面


    十一、金相組織分析

    1Cr18Ni9Ti 為含 Ti 奧氏體不銹鋼,基體組織為奧氏體。金相試樣經(jīng)拋光后,用王水(硝酸:鹽酸 = 1:3)腐蝕后的金相組織如圖 7 所示,可以觀(guān)察到白色的奧氏體晶粒,其中部分奧氏體晶粒內有孿晶出現。同時(shí)在奧氏體基體上,可以觀(guān)察到黑色的點(diǎn)狀物,這些為環(huán)狀氧化物。這些環(huán)狀氧化物彌散分布在基體上。

    Shape7
    圖 7 裂紋附近管外表面金相


    十二、斷口 SEM 和 EDS 分析

    采用配有能譜儀的荷蘭 Quanta 200 型環(huán)境掃描電子顯微鏡,對經(jīng)過(guò)清洗后的圖 8 所示的斷口表面不同區域進(jìn)行微觀(guān)形貌觀(guān)察,并分析其微區化學(xué)成分。圖 9 為管外壁表面的 SEM 照片,可以看出管外壁表面有腐蝕凹坑??梢钥闯鰯嗫诒砻娲_實(shí)有氧化腐蝕, 這與 SEM 觀(guān)察的結果相一致。

    62c52663be98b_html_28ba1d17b54cca1b.jpg

    圖8 開(kāi)裂處截取試樣示意圖

    Shape10 62c52663be98b_html_11917efd732aa3a3.jpg 

    圖 9 靠近外壁斷口表面SEM 照片


    十三、原因分析討論與建議

    1. 化學(xué)成分檢測發(fā)現送檢的主給水壓力取樣管的 S 含量是標準規定上限值的兩倍,同時(shí) Ti 和 Ni 元素的含量偏低。Ti 元素的含量對不銹鋼的耐腐蝕性能有著(zhù)重要的影響。在焊接或者長(cháng)期加熱的情況下,鉻的碳化物(Cr23C6)會(huì )從奧氏體中析出,使晶界附近基體呈現貧 Cr區,貧 Cr 區的耐腐蝕性較差,這可能會(huì )引起晶間腐蝕。而 Ti 元素與 C 元素的結合力更強優(yōu)先形成 TiC,可防止 Cr 的碳化物析出,加強不銹鋼耐晶間腐蝕能力。因此,Ti 元素含量偏低可降低不銹鋼耐晶間腐蝕的能力。Ni 可促進(jìn)不銹鋼鈍化膜的穩定性,提高不銹鋼的熱力學(xué)穩定性。因此,Ni 含量偏低對不銹鋼耐蝕性也是不利的。而 S 元素含量高會(huì )大大增加鋼的熱脆性,降低鋼的抗腐蝕能力。

    2. 硬度檢測結果顯示,送檢主給水壓力取樣管的實(shí)測硬度值符合標準要求。

    3. 金相發(fā)現裂口端部附近的管子外表面有晶間腐蝕裂紋,裂紋從管外壁表面沿晶界向內壁方向擴展,并有晶粒脫落。

    4. 斷口 SEM+EDS 分析顯示,斷口表面有氧化腐蝕現象。

    5. 綜合以上各項試驗結果及分析,送檢主給水壓力取樣管的開(kāi)裂是由于管子所使用的鋼材中 Ti 和 Ni 元素含量偏低,降低了管子耐晶間腐蝕的能力。同時(shí) S 元素含量高,大大增加鋼的熱脆性,降低鋼的抗腐蝕能力。從而使管子在長(cháng)期的高溫高壓、應力以及環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的作用下,在管子最薄弱的彎頭外背弧部位外壁開(kāi)始萌生晶間腐蝕裂紋,最終由于晶間腐蝕裂紋的逐漸擴展導致開(kāi)裂失效。

    6. 建議對同一臺鍋爐的主給水壓力取樣管所有管段進(jìn)行光譜分析,以排除錯用材質(zhì)的隱患,若該鍋爐同期建設的不止一臺,則建議對同期建設的其它鍋爐的主給水壓力取樣管也進(jìn)行光譜分析,以排除錯用材質(zhì)的隱患。

    7. [收稿日期]2022年4月1日;[作者簡(jiǎn)介]蔡永江(1967—),男,主要從事火力發(fā)電廠(chǎng)金屬監督及部件失效分析技術(shù)工作。


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