TP304H不銹鋼管過熱器爆管的組織變化研究

 浙江至德鋼業有限公司對某火電廠運行8.5萬小時的TP304H不銹鋼管過熱器管的爆管試樣進行金相顯微組織觀察，掃描電子顯微鏡觀察，電子探針分析和Ｘ射線衍射分析，結果表明，該TP304H不銹鋼管過熱器管長期過熱運行導致了顯著的σ相析出；析出相中含有較高的硅、鉬、鎳。

 TP304H不銹鋼管是目前高參數鍋爐過熱器和再熱器管經常選用的奧氏體耐熱鋼鋼管之一。該鋼具有高的熱強性和高的抗氧化性，最高使用溫度可達700℃，目前主要用于金屬溫度為600℃的過熱器和再熱器管。TP304H不銹鋼管在過熱器和再熱器上的使用，替代了低合金熱強鋼，在一定程度上解決了因爐膛煙氣溫差大而引起的超溫爆管，使鍋爐的安全性明顯提高。但是，由于過熱器和再熱器工作在易使TP304H不銹鋼管敏化的溫度范圍，特別是在超溫狀態下運行，容易發引起合金元素再分配，導致碳化物與σ相析出，使鋼的壽命顯著縮短。至德鋼業主要研究TP304H不銹鋼管過熱器管爆口處的組織變化和析出相分布特征，確定析出相的類型，并分析其對壽命的影響。

一、實驗方法

 實驗所用材料取自某火電廠600ＭＷ機組運行8.5萬小時的TP304H不銹鋼管過熱器管的爆管段，分析所用試樣取自爆口處。制樣時，采用電解拋光，用王水侵蝕，侵蝕45秒。試樣制備后，在Olympus金相顯微鏡下和Quanta400掃描電鏡下進行奧氏體組織形態特征分析、析出相形態特征和分布分析，通過D/max-2500PCX射線衍射儀確定析出相的類型，利用JXA8800型能譜儀進行基體和析出相中所含元素及其含量的測定和分析；

二、實驗結果和討論

 1. TP304H不銹鋼管的組織特征

  金相顯微鏡觀察TP304H不銹鋼管的原始組織和爆口處金相組織結果如圖所示，掃描電子顯微鏡觀察結果如圖所示。從圖可以看出，運行8.5萬小時發生爆管后，TP304H不銹鋼管的晶粒比原始組織細小，有明顯的析出組織，說明金相組織已產生了顯著的變化。從圖可以看到，在基體上已有大量的塊狀析出物和一定量的單個蠕變孔洞，說明TP304H不銹鋼管產生嚴重組織老化和蠕變，由此導致爆管。

 2. X射線衍射結果

   根據X射線衍射數據得到衍射結果，如圖所示。結果表明，圖中的析出相為σ相和碳化物。

 3. 電子探針分析結果

  電子探針分析面掃描結果如圖所示，點掃描結果如圖所示，基體（點1）和析出相（點2）的成分如表所列，鉻、硅、鉬含量顯著增加，而鎳和鐵在析出相中的含量則明顯低于基體。析出物中主要含有鐵、鉻合金元素，鐵的含量大致為50%，基本上不含有鎳或含有很少量的鎳，表明該析出物不是碳化物，而是σ相析出物。由下面的能譜面掃描照片，把每種元素的位置與二次電子像中析出相的位置做一一對比，可以發現析出相基本由鉻和鐵構成，這進一步證明了析出相主要成分為σ相這種鐵、鉻原子大致相等的金屬間化合物。

三、結論

 1. TP304H不銹鋼管在長期過熱條件下運行，σ相沿晶界析出，并不斷聚集長大，脆性加強，奧氏體耐熱鋼的組織產生嚴重老化。

 2. σ析出相中硅、鉬含量遠高于基體，說明硅、鉬更易向σ相轉移，促進σ相形成，而σ析出相中鎳含量則明顯低于基體。

 3. σ相沿晶界析出是引起爆管的根本原因，合金元素的再分配，通過電子探針分析，析出碳化物或σ相的試樣，導致沿晶形成鉻的貧化帶，這是產生晶間腐蝕的主要原因。