奥氏体不锈钢晶间腐蚀原因分析正式版汇编Word文档格式.docx
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微观组织的老化会导致其性能的劣化，是影响服役安全性和服役寿命的重要因素。
电站用耐热钢的微观组织的老化主要取决于服役温度下的服役时间，温度和时间的不同往往造成服役后微观组织有明显的差异。
根据《热力发电》18-8奥氏体不锈钢锅炉管服役特性的研究，将此种奥氏体不锈钢的服役状态老化评级分为5级。
至2013年9月，我公司一期机组已运行6万余小时，二期机组已运行3万余小时。
本文在我公司多次的服役炉管取样分析及实验的基础上，总结了我公司2种不锈钢（即TP304H不锈钢，TP347H不锈钢）组织老化发展趋势，对4台机组奥氏体不锈钢的服役状态进行了评估，并初步分析了奥氏体不锈钢晶间腐蚀产生的原因，提出了初步预防建议。
3TP304H奥氏体不锈钢的组织老化趋势
TP304H不锈钢不含Ti和Nb等稳定化元素，是一种非稳定的不锈钢，对非稳定化奥氏体不锈钢锅炉管，晶内和晶界第二相分布的形态在长期高温服役后逐渐发生着变化，
随着服役时间的延长，滑移线、孪晶和层错逐渐消失，位错密度逐渐降低，位错线趋于变直；
晶内第二相数量先明显增多后减少、颗粒尺寸无明显变化，晶界第二相数量逐渐增多、尺寸逐渐增大。
非稳定化奥氏体不锈钢锅炉管中的第二相主要为碳化物（M23C6、M7C3）和金属间化合物（σ相）两类；
当服役时间不长时，析出的第二相主要为M23C6和M7C3，随着服役时间的延长，σ相也逐渐析出。
3.1TP304H不锈钢锅炉管组织变化
高温受热面TP304H不锈钢锅炉管组织变化情况如表1。
表1高温受热面TP304H不锈钢锅炉管组织状态试验结果
炉号
样管编号
规格材质
运行温度压力
启停次数
运行时间
组织状态
1号炉
屏再A22-3
TP304H，Ф70×
4
4.2MPa,560℃
36次
43875h
TP304H钢管所取直管、弯头部位，微观组织中的奥氏体晶界已存在较明显碳化物沉积，呈现一定的老化趋势，为奥氏体组织，有孪晶存在，晶粒大小不均匀，奥氏体晶界上存在明显的碳化物沉积，扫描电镜未见Cl离子，直段处：
可定位老化3级，弯头处：
定位老化3-4级。
2号炉
屏再A23-1
ø
70*4，TP304H
30次
45859h
为单相奥氏体组织，有孪晶存在晶粒大小不均匀，碳化物在晶界聚集，晶界粗化，有小于2个晶粒的内壁晶间裂纹（向火背火），老化5级。
A21-1
40次
49460h
取样管迎烟侧向火面与背火面组织存在差异，向火面微观组织已出现劣化迹象。
取样管内壁氧化皮厚度0.1～0.2mm，可见吞噬晶粒向内发展。
A21-1、A20-1失效管爆口附近宏观可见纵向裂纹，微观组织晶间裂纹较多，自内壁向内扩展特征明显。
断口附近内壁存在较多裂纹，沿晶开裂现象明显。
进行晶间腐蚀试验，一根正弯（以外壁为弯曲面），一根反弯（以内壁为弯曲面）。
结果表明，8根试样均存在裂纹，晶间腐蚀试验不合格
A21-1漏泄
微观组织严重老化老化5级向火，老化3级背火
A20-1
为单相奥氏体组织，有孪晶存在晶粒大小不均匀，晶粒度5-8级，微观组织已有一定程度老化，迎烟侧有较多碳化物在晶界聚集，晶界已明显变粗，奥氏体晶内析出物明显增多。
向火面老化4-5级
背火面老化2-3级
A20-2
奥氏体晶内及晶界碳化物析出明显增多，组织一定程度劣化老化3级
A20-3
此管比A20-2相对劣化严重，老化4-5级
末级再热器A35-1
63*4，TP304H
4.2MPa,590℃
末级再热器TP304H管奥氏体晶粒大小不均匀，晶界存在碳化物，微观组织老化。
弯头及直段处未发现，有小于2个晶粒的内壁晶间裂纹，异种钢焊缝区较严重，3-4级。
末级再热器管A2-1
50次
57215h
向火侧：
奥氏体，有孪晶。
晶粒大小不均匀，晶界碳化物聚集。
4级
A2-1背火侧
背火侧：
晶粒大小不均匀，晶界碳化物较多。
3级
弯头（末级再热器管A2-1）
外弧：
晶粒大小差异较大，晶界碳化物聚集。
弯头（末级再热器管A2-1）内弧
内弧：
4#直管（分割屏过夹持管）
TP304H,ø
57x9
17.2MPa,590℃
晶界已开始粗化，并开始呈现链状。
4-5级
4#直管（分割屏过夹持管）背火面
背火面：
4#弯头（分割屏过夹持管）
4#弯头（分割屏过夹持管）内弧
注：
老化评级是按照《18-8型奥氏体不锈钢锅炉管服役特性研究》给出的评级图进行评定的。
从组织变化情况看，可得出如下几点结论：
（1）屏式再热器在4万至5万小时，老化处于加速阶段从3级老化上升到5级老化，耐晶间腐蚀能力下降，且相火面比背火面严重，老化5级时首次出现失效（有晶间裂纹）；
该漏泄管子由于吹损有一定程度减薄，从4mm减为3.0mm，从而导致该处应力增大，导致其更快失效；
其位于折焰角上方，管子外壁温度高（烟气温度高）。
（2）末级再热器下部弯头处运行45859h时，已老化至3级，异种钢焊缝靠TP304H钢侧已发现晶间裂纹，劣化更严重；
到57215h，老化至4级，相火面比背火面严重；
（3）分隔屏过热器夹持管运行至57215h，老化至4-5级，位于炉膛上部，烟气温度高，管壁温度高且应力大，材料劣化严重。
3.2TP304H力学性能及韧性变化
TP304H力学性能试验结果见表2。
表2TP304H力学性能试验结果
试验温度
抗拉强度Rm（MPa）
屈服强度Rp0.2（MPa）
延伸率A（%）
屏再A21-1
510℃
375
199
27.5
屏再A21-1（漏泄）
355
165
27
屏再A20-1
340
140
屏再A20-2
162
26
屏再A20-3
370
123
35
570℃
329
127
30
末级再热器管A2-1（向火面）
600℃
381
33.0
末级再热器管A2-1（背火面）
396
135
35.5
弯头（末级再热器管A2-1向火面）
379
132
37.0
弯头（末级再热器管A2-1背火面）
386
125
直管（分割屏过夹持管）向火面
382
150
30.0
直管（分割屏过夹持管）背火面
417
142
弯头（分割屏过夹持管）向火面
TP304H,Ф57x9
401
208
4弯头（分割屏过夹持管）背火面
413
229
29.5
从上述数据可以得出：
随着服役时间的延长，材料的抗拉强度及屈服强度变化不明显，强度略有升高，断面收缩率相对下降，但仍能满足标准最低要求。
断面收缩率的降低反映出材料的塑韧性在下降，材料脆化，这与组织的老化相一致。
综上所述，我厂1、2号炉末级再热器下部TP304H不锈钢管运行至57215h已老化至4级，T91与TP304H异种钢焊缝靠奥氏体不锈钢侧已有内壁晶间裂纹，存在一定的安全隐患。
1号炉分隔屏夹持管TP304H钢管已老化至5级，存在较大安全隐患。
可以预料随着运行时间的延长，将进一步老化至破裂。
屏式再热器已更换。
4TP347H稳定化不锈钢组织性能演变规律
TP347H为含Nb的稳定化不锈钢管，稳定化不锈钢锅炉管的微观组织在服役过程中的演变规律为：
随着服役时间的延长，滑移线、孪晶和层错逐渐消失，位错密度逐渐降低、位错线趋于变直；
晶内第二相数量略增多后基本不变、颗粒尺寸略增大，晶界第二相数量逐渐增多、尺寸逐渐增大。
稳定化奥氏体不锈钢锅炉管中的第二相主要为碳化物（M23C6、M7C3、NbC、TiC）和金属间化合物（σ相、Laves相）；
当服役时间不长时，析出的第二相主要为碳化物相，随着服役时间的延长，σ相也逐渐析出，Laves相在σ相后析出。
4.1TP347H组织的变化
TP347H组织的变化试验结果见表3。
表3TP347H组织的变化试验结果
后屏过热器A-B6W（最外圈）
TP347Hø
63*11
517℃（蒸汽温度），17.23MPa
12次
10551h
未发现试样内外壁存在径向微裂纹,晶间腐蚀试验弯曲180℃未见晶间腐蚀裂纹,为单相奥氏体组织，奥氏体晶粒大小不均匀，晶粒大小相差较大，混晶现象明显，晶粒度4-8级，晶内孪晶较少，奥氏体晶内及晶界均有碳化物析出,外弧轴向奥氏体晶粒大小不均匀，晶粒大小相差较大，混晶现象明显，晶粒度3-8级，晶内孪晶较少，奥氏体晶内及晶界均有碳化物析出,断口上存在CL_,尤其是A-B6W直管内壁侧试样断口上的含量最高，达0.26%，后屏过热器A-B6W弯经过1万小时的运行，管子内壁已受到不同程度的晶间腐蚀或应力腐蚀侵蚀，材料耐截止能力下降，尤其是当停炉保护不当和超温运行的状态下，这样的腐蚀状况很有可能加速。
老化1-2级
后屏过热器A-B20W（最外圈）
SA-213TP347Hø
外弧环向奥氏体晶粒大小不均匀，晶粒大小相差较大，混晶现象明显，晶粒度5-8级，晶内孪晶较少，奥氏体晶内及晶界均有碳化物析出;
外弧轴向奥氏体晶粒大小不均匀，晶粒大小相差较大，混晶现象明显，晶粒度4-8级，晶内孪晶较少，奥氏体晶内及晶界均有碳化物析出。
后屏过热器加持管B-A6带焊缝直段
512℃（蒸汽温度），17.23MPa
20次
26750h
微观呈现奥氏体组织状态，存在孪晶，两管微观组织差异不大。
奥氏体晶粒大小极不均匀，存在混晶及套晶组织，晶粒度极差最大相差5级。
管样中奥氏体晶内及晶界存在不同程度的碳化物析出。
管样内、外壁状况未发现明显晶间裂纹等异常现象。
晶间腐蚀试验：
外表面侧正弯180°
未发现晶间腐蚀裂纹。
内表面侧反弯180°
发现明显晶间腐蚀裂纹。
老化3-4级
后屏过热器加持管A7，B11弯
60*11
26次
38508h
外表轻度氧化腐蚀。
奥氏体晶粒大小不均匀，晶粒大小相差较大，混晶现象明显，晶内有孪晶存在，奥氏体晶内及晶界均有碳化物析出;
奥氏体晶粒不均匀，存在混晶及套晶组织。
相比而言，弯头部位与直观部位晶粒大小差异明显。
B11直管相比A7，晶粒相差更大。
A7弯头相比B11相差大。
A7直段晶粒度5-9级，B11晶粒度3-9级。
A7弯头部位3-10级，B11弯头晶粒度3-8级。
A7/B11管样内外壁均存在不同程度的晶间腐蚀现象，可见明显的晶间腐蚀裂纹深度1-2个晶粒。
弯头处更明显。
A7、B11取样管内表面侧具有明显的晶间腐蚀倾向。
其余合格。
反弯180°
A7弯头老化4级左右，B11老化4级左右。
1号炉后屏过热器夹持管B13漏泄
27800h
样管的微观组织为单相奥氏体，晶粒大小不均匀，晶内有孪晶存在，奥氏体晶内及晶界均有碳化物析出，弯头相对直段，晶粒剂不均匀，存在混晶及套晶组织，晶界碳化物聚集明显，在晶界交汇处应力集中部位尤其突出。
老化4级，弯头部位组织极不均匀及外表机械损伤是造成较早漏泄的重要原因。
1号炉后屏过热器夹持管A2/B5弯
29次
29077h
管材微观组织形貌：
奥氏体晶粒大小不均匀，晶粒大小相差较大，混晶现象明显，晶粒度5-8级，晶内有孪晶存在，奥氏体晶内及晶界均有碳化物析出
A2直段晶粒度5-9级，B5晶粒度4-8级。
A2弯头部位3-9级，B5弯头晶粒度6-10级。
A2/A5管样内外壁均存在不同程度的晶间腐蚀现象，可见明显的晶间腐蚀裂纹深度1-2个晶粒。
A2取样管内表面侧具有明显的晶间腐蚀倾向。
扫描电镜分析：
A2管样的低温断口形貌以沿晶断裂+韧窝特征为主，存在沿晶二次裂纹。
B5管样的低温断口形貌以韧窝特征+沿晶断裂为主，存在沿晶二次裂纹。
A2、A5老化4级。
3#直管（后屏过热器A-B-13）
TP347H，Ф63×
11
向火面：
晶粒大小不均匀。
老化3级
3号炉
屏过夹持管（B1-4）
TP347H，Ф44.5×
7
510℃（蒸汽温度），17.23MPa
24697h
弯环：
奥氏体，晶粒大小不均匀，晶粒变形，晶界存在碳化物。
正弯、反弯均裂;
TP347H管奥氏体组织晶粒大小不均匀，有孪晶，晶界存在碳化物，微观组织开始出现老化趋势;
3号炉正外反弯，内外表面90°
均存在明显晶间腐蚀裂纹。
老化2级
4号炉
4号炉屏过夹持管（B1-5）
34次
19494h
TP347H管奥氏体组织晶粒大小不均匀，有孪晶，晶界存在碳化物，微观组织开始出现老化趋势。
内壁存在晶间微裂纹，深度为2个晶粒。
晶间腐蚀试验外表面弯至180°
存在明显晶间腐蚀裂纹。
内表面90°
边缘折裂，未见晶间腐蚀裂纹。
4号炉高温过热器
TP347H，Ф51×
8
38次
20989h
微观组织：
呈奥氏体组织状态，晶粒大小不均匀，晶界上存在析出相粒子;
内壁弯至90°
时已发现明显晶间腐蚀开裂，外弯未见异常。
老化2-3级
1号管样高温过热器A-B第10屏第1根
TP347HФ51×
540℃（蒸汽温度），17.23MPa
33312h
背火面和向火面的微观组织照片，其组织没有明显差异，均为单相奥氏体，晶粒大小不均匀，有孪晶存在，但其奥氏体晶内及晶界存在不同程度碳化物析出；
正反弯180°
均发现有裂纹，老化1-2级，2级
屏过夹持管（4-3-16）
背火面和向火面的微观组织照片，均为单相奥氏体，晶粒大小不均匀，有孪晶存在，但其奥氏体晶内及晶界存在不同程度碳化物析出，而向火面碳化物析出程度比背火面严重；
正反弯100°
均发现有裂纹，老化2-3级，3级
从组
升级会员 