TP304H不锈钢管过热器爆管的组织变化研究

 浙江至德钢业有限公司对某火电厂运行8.5万小时的TP304H不锈钢管过热器管的爆管试样进行金相显微组织观察，扫描电子显微镜观察，电子探针分析和Ｘ射线衍射分析，结果表明，该TP304H不锈钢管过热器管长期过热运行导致了显著的σ相析出；析出相中含有较高的硅、钼、镍。

 TP304H不锈钢管是目前高参数锅炉过热器和再热器管经常选用的奥氏体耐热钢钢管之一。该钢具有高的热强性和高的抗氧化性，最高使用温度可达700℃，目前主要用于金属温度为600℃的过热器和再热器管。TP304H不锈钢管在过热器和再热器上的使用，替代了低合金热强钢，在一定程度上解决了因炉膛烟气温差大而引起的超温爆管，使锅炉的安全性明显提高。但是，由于过热器和再热器工作在易使TP304H不锈钢管敏化的温度范围，特别是在超温状态下运行，容易发引起合金元素再分配，导致碳化物与σ相析出，使钢的寿命显著缩短。至德钢业主要研究TP304H不锈钢管过热器管爆口处的组织变化和析出相分布特征，确定析出相的类型，并分析其对寿命的影响。

一、实验方法

 实验所用材料取自某火电厂600ＭＷ机组运行8.5万小时的TP304H不锈钢管过热器管的爆管段，分析所用试样取自爆口处。制样时，采用电解抛光，用王水侵蚀，侵蚀45秒。试样制备后，在Olympus金相显微镜下和Quanta400扫描电镜下进行奥氏体组织形态特征分析、析出相形态特征和分布分析，通过D/max-2500PCX射线衍射仪确定析出相的类型，利用JXA8800型能谱仪进行基体和析出相中所含元素及其含量的测定和分析；

二、实验结果和讨论

 1. TP304H不锈钢管的组织特征

  金相显微镜观察TP304H不锈钢管的原始组织和爆口处金相组织结果如图所示，扫描电子显微镜观察结果如图所示。从图可以看出，运行8.5万小时发生爆管后，TP304H不锈钢管的晶粒比原始组织细小，有明显的析出组织，说明金相组织已产生了显著的变化。从图可以看到，在基体上已有大量的块状析出物和一定量的单个蠕变孔洞，说明TP304H不锈钢管产生严重组织老化和蠕变，由此导致爆管。

 2. X射线衍射结果

   根据X射线衍射数据得到衍射结果，如图所示。结果表明，图中的析出相为σ相和碳化物。

 3. 电子探针分析结果

  电子探针分析面扫描结果如图所示，点扫描结果如图所示，基体（点1）和析出相（点2）的成分如表所列，铬、硅、钼含量显著增加，而镍和铁在析出相中的含量则明显低于基体。析出物中主要含有铁、铬合金元素，铁的含量大致为50%，基本上不含有镍或含有很少量的镍，表明该析出物不是碳化物，而是σ相析出物。由下面的能谱面扫描照片，把每种元素的位置与二次电子像中析出相的位置做一一对比，可以发现析出相基本由铬和铁构成，这进一步证明了析出相主要成分为σ相这种铁、铬原子大致相等的金属间化合物。

三、结论

 1. TP304H不锈钢管在长期过热条件下运行，σ相沿晶界析出，并不断聚集长大，脆性加强，奥氏体耐热钢的组织产生严重老化。

 2. σ析出相中硅、钼含量远高于基体，说明硅、钼更易向σ相转移，促进σ相形成，而σ析出相中镍含量则明显低于基体。

 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，通过电子探针分析，析出碳化物或σ相的试样，导致沿晶形成铬的贫化带，这是产生晶间腐蚀的主要原因。