超臨界鍋爐主給水鋼管1Cr18Ni9Ti 開裂失效原因分析

采用宏觀分析結合理化試驗對某火力發電廠超臨界機組鍋爐主給水壓力取樣管進行了宏觀觀察分析、化學成分分析、力學性能試驗、金相試驗和斷口微觀形貌分析，綜合分析認為，送檢的主給水壓力取樣管開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 S 元素含量高，大大增加鋼的熱脆性，降低鋼的抗腐蝕能力。從而使管子在長期的高溫高壓、應力以及環境中腐蝕介質的作用下，在管子最薄弱的彎頭外背弧部位外壁開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裂失效。本文針對鍋爐主給水壓力取樣管開裂失效進行原因分析，提出了預防措施。

一、概述

2021 年 6 月 ，某火力發電廠聯合某電力設備研究院對開裂失效的主給水壓力取樣管進行失效分析。送檢樣品外觀形貌如圖 1 所示，管子材質為 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焊接接頭的管子，中間為直管段，兩端各有一個彎管段，如圖 1（a）所示。直管段外形完整，彎管段有一端開裂，裂紋如圖 1（b）所示。

圖 1 （a）送檢主給水壓力取樣管樣品全貌以及（b）開裂處局部形貌

二、試驗方法及依據標準

宏觀觀察分析

火花源原子發射光譜分析

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《火花放電原子發射光譜分析法通則》

2）GB/T14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》

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行線切割取樣，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），彎管開裂處截取。

圖 2 送檢試樣取樣位置示意圖

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四、宏觀觀察分析

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

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五、材料化學成分檢測

采用德國 Foundry Master 臺式真空火花發射光譜儀對試樣進行化學成分分析，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縫鋼管》標準中 1Cr18Ni9Ti鋼的標準成分進行對比分析。

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 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縫鋼管》標準中 1Cr18Ni9Ti 鋼的標準成分要求。

表 1 材料化學成分分析結果

• 檢測項目		化學成分
  方法/產品標準		GB/T 14203-2016/ GB/T 14976-2012
  化學成分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，保壓時間為 10 s。由于 GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》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

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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行拉伸試驗。實驗結果如表 3 所示，與 GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》標準中要求的 1Cr18Ni9Ti 鋼的力學性能指標對比，可以看出，送檢試樣直管段的拉伸性能符合 1Cr18Ni9Ti 鋼的技術要求。

表 3 主給水壓力取樣管拉伸性能測試結果

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）進行材料冶金質量分析。

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

圖 3 金相試樣示意圖

 
圖 4 夾雜物：(a) 開裂區附近管橫截面；(b) 開裂區附近管外表面

表 4 主給水壓力取樣管非金屬夾雜物判定結果

此外，在裂口端部附近的管子外表面觀察到晶間腐蝕裂紋，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。

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

對拋光態金相試樣進行腐蝕，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》對腐蝕態金相試樣進行晶粒度等級評定。圖 6 為經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。

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。同時在奧氏體基體上，可以觀察到黑色的點狀物，這些為環狀氧化物。這些環狀氧化物彌散分布在基體上。

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 型環境掃描電子顯微鏡，對經過清洗后的圖 8 所示的斷口表面不同區域進行微觀形貌觀察，并分析其微區化學成分。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_實有氧化腐蝕， 這與 SEM 觀察的結果相一致。

圖8 開裂處截取試樣示意圖

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. 化學成分檢測發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 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重要的影響。在焊接或者長期加熱的情況下，鉻的碳化物(Cr23C6)會從奧氏體中析出，使晶界附近基體呈現貧 Cr區，貧 Cr 區的耐腐蝕性較差，這可能會引起晶間腐蝕。而 Ti 元素與 C 元素的結合力更強優先形成 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 可促進不銹鋼鈍化膜的穩定性，提高不銹鋼的熱力學穩定性。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測硬度值符合標準要求。

3. 金相發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 S 元素含量高，大大增加鋼的熱脆性，降低鋼的抗腐蝕能力。從而使管子在長期的高溫高壓、應力以及環境中腐蝕介質的作用下，在管子最薄弱的彎頭外背弧部位外壁開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行光譜分析，以排除錯用材質的隱患，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行光譜分析，以排除錯用材質的隱患。

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