大唐雞西第二熱電有限公司1#鍋爐中溫過熱器管開裂原因分析

李銀山

（大唐雞西第二熱電有限公司）

摘 要：大唐雞西第二熱電有限公司現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)1#鍋爐中溫二過熱器前排第一根管有環(huán)向開裂現(xiàn)象，開裂部位于異種鋼管對接處，送檢樣品含開裂部位及兩側(cè)足夠長的管段。通過對1#鍋爐中溫二過熱器管進(jìn)行了機(jī)加取樣，進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

關(guān)鍵詞：鍋爐中溫過熱器；管開裂；原因分析

大唐雞西第二熱電有限公司現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)1#鍋爐中溫二過熱器前排第一根管有環(huán)向開裂現(xiàn)象，開裂部位于異種鋼管對接處，送檢樣品含開裂部位及兩側(cè)足夠長的管段。通過對1#鍋爐中溫二過熱器管進(jìn)行了機(jī)加取樣，進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 基本情況（委托方提供信息）

來樣取自1#鍋爐中溫二過熱器管前排第一根，位于爐膛標(biāo)高36米處。送檢管段總長約80cm，三節(jié)管由兩處環(huán)向焊縫對接相連，焊縫寬度均約1cm，管段構(gòu)成為12Cr1MoV（16cm）+12Cr1MoV（22cm）+T91（40cm），管材規(guī)格為Ф51×7mm。1#鍋爐中溫二過熱器管運(yùn)行時(shí)間約23000小時(shí)，管外部介質(zhì)為煙氣，內(nèi)部介質(zhì)為高溫蒸汽。正常運(yùn)行時(shí)，管壁溫度530℃，管子內(nèi)壓17.5MPa。

2 宏觀檢驗(yàn)

來樣管段分為三節(jié)，由兩處環(huán)向焊縫對接相連，一處為12Cr1MoV的同種鋼對接，另一處為12Cr1MoV+T91的異種鋼對接，實(shí)測管外徑（含氧化層）約為：12Cr1MoV管Ф53.5mm、T91管為Ф51.5mm。整個(gè)管段呈現(xiàn)出彎曲變形狀，變形較大凸度位于12Cr1MoV連接管處，未見明顯的管壁局部鼓包跡象，見照片1。管外壁附有較厚的氧化層，呈黑色和紅褐色。

12Cr1MoV+T91的對接處存在環(huán)向開裂，裂紋發(fā)生在12Cr1MoV側(cè)的焊接熔合區(qū)附近，位于管子變形的“凸”側(cè)，外壁裂紋長度約為75mm，無明顯裂紋分枝，未見其他裂紋存在。開裂部位的管段內(nèi)壁形貌已焊透，焊縫兩側(cè)的管內(nèi)壁有焊前機(jī)加痕跡（車削減?。?，內(nèi)壁裂紋長度約85mm，裂紋緊鄰異種鋼對接的12Cr1MoV側(cè)熔合區(qū)，裂紋長度方向上走勢與焊根形狀基本吻合，裂紋深度方向上走勢與焊接熔合區(qū)形狀基本吻合?？梢姡鸭y的起源及擴(kuò)展是在12Cr1MoV的熔合區(qū)或過熱區(qū)中發(fā)生的。

3 金相檢驗(yàn)

從12Cr1MoV+T91的組對接頭處取縱向樣進(jìn)行了顯微維氏硬度測試，發(fā)現(xiàn)：

3.1 低倍檢驗(yàn)

從管段的異種鋼接頭部位取樣進(jìn)行金相低倍檢驗(yàn)，檢驗(yàn)面為管縱截面。 焊接不存在未焊透缺陷，裂紋緊鄰12Cr1MoV熔合線，呈楔形，無明顯分枝。在環(huán)向裂紋的端部取樣，發(fā)現(xiàn)裂紋啟自12Cr1MoV側(cè)焊根部位，由內(nèi)向外擴(kuò)展，擴(kuò)展路徑基本與熔合線形狀吻合。

3.2 高倍檢驗(yàn)

從管段的異種鋼接頭的裂紋端部及彎曲凹側(cè)取樣進(jìn)行金相高倍檢驗(yàn)，檢驗(yàn)面為管縱截面。

彎曲凸側(cè)裂紋端部樣：裂紋裂紋啟自12Cr1MoV側(cè)的焊接過熱區(qū)中，并基本平行于熔合線由內(nèi)向外曲折擴(kuò)展，呈沿晶形式。焊縫金相組織為板條狀回火馬氏體，熔合線兩側(cè)的組織差異較大，12Cr1MoV側(cè)為鐵素體，焊縫側(cè)為回火馬氏體（黑帶），有脫/增碳現(xiàn)象；12Cr1MoV側(cè)過熱區(qū)金相組織 為單相鐵素體，存在斷續(xù)的沿晶析出物；12Cr1MoV管母材金相組織為鐵素體+碳化物，碳化物呈點(diǎn)狀和小塊狀，主要分布于鐵素體晶界，珠光體嚴(yán)重球化（5級）；T91側(cè)熔合區(qū)形貌熔合線兩側(cè)的組織類型均屬回火馬氏體未見脫/增碳現(xiàn)象；T91側(cè)過熱區(qū)金相組織為回火馬氏體，呈等軸晶；T91管母材金相組織為回火索氏體。彎曲凹側(cè)樣：無裂紋顯示，各區(qū)金相組織與裂紋端部樣基本相同。

4 斷口檢驗(yàn)

從管段的開裂處取樣，對斷口進(jìn)行清理，利用掃描電子顯微鏡對斷口形貌進(jìn)行了觀察。斷口為沿晶形式，呈冰糖狀（或巖石狀），氧化層覆蓋了斷口表面，但晶粒多面體形態(tài)尚且明顯，未見明顯的塑性變形。

5 討論分析

5.1 整個(gè)管段呈彎曲變形狀，較大凸度位于12Cr1MoV連接管處，兩種管材外徑略有差異，12Cr1MoV管外徑較T91管外徑大2mm，但整個(gè)管段曲變形量和脹粗量不大。管段開裂發(fā)生于異種鋼對接的彎曲凸側(cè)，裂紋緊鄰12Cr1MoV熔合區(qū)，處在焊接過熱區(qū)中，呈單條裂透管壁，環(huán)向走勢基本與焊根形狀吻合。可見，此管段異種鋼接頭的12Cr1MoV焊接過熱區(qū)是相對薄弱的部位。

5.2 從材料的化學(xué)分析角度看，來樣管段異種鋼接頭位置成分梯度相對較大，在焊接、熱處理及高溫長時(shí)間運(yùn)行過程中，12Cr1MoV側(cè)過熱區(qū)中的碳將部分向焊縫中擴(kuò)散遷移，造成12Cr1MoV側(cè)過熱區(qū)脫碳、鐵素體晶界產(chǎn)生碳化物聚集，將導(dǎo)致12Cr1MoV側(cè)過熱區(qū)的晶界高溫強(qiáng)度更為薄弱。

5.3 顯微維氏硬度測試結(jié)果顯示，T91熱影響區(qū)硬度略高于焊縫心部，但差異不大，變化相對平穩(wěn)；12Cr1MoV硬度較低，尤其緊鄰熔合線兩側(cè)，焊縫增碳帶硬度280，12Cr1MoV過熱區(qū)硬度值陡降至185，差值近100，硬度變化梯度較大。在受熱、受力過程中，整管將難以協(xié)調(diào)變形（膨脹和彎曲），R40焊縫和T91保持相對高的硬度和拘束度，變形相對較小，而12Cr1MoV發(fā)生明顯的材質(zhì)弱化，變形量將相對較大。因此，12Cr1MoV過熱區(qū)（彎曲凸側(cè)）將處于一定的應(yīng)力-應(yīng)變作用。

5.4 從金分析結(jié)果看，來樣管段異種鋼接頭位置金相組織變化梯度較大，尤其是12Cr1MoV熔合線的兩側(cè)，焊縫增碳帶為回火馬氏體，12Cr1MoV過熱區(qū)為鐵素體。來樣管段異種鋼對接位置有塑性變形，裂紋為單條、環(huán)向、穿透管壁，位于距熔合線約200um的12Cr1MoV過熱區(qū)中，呈沿晶形式，裂紋邊緣有氧化跡象，具有再熱裂紋的特征，其他部位未見大幅變形、裂紋及原始缺陷。向火面與背火面的異種鋼接頭金相組織未見明顯差異，12Cr1MoV管材嚴(yán)重球化（5級），強(qiáng)度將大幅度降低。

5.5 在管段的異種鋼接頭部位，兩側(cè)管內(nèi)壁均有焊前機(jī)加減薄，12Cr1MoV過熱區(qū)位于機(jī)加減薄區(qū)域，加之晶界弱化、晶粒粗大及各種不均衡因素，其承載能力和蠕變塑性均相對較弱，是再熱裂紋的敏感部位，一般來講，碳鋼或低合金鋼的再熱裂紋敏感溫度約550～650℃。焊縫背面與12Cr1MoV管內(nèi)壁交界處（即焊根）屬薄-厚分界，厚度方向上存在“小臺階”，具有明顯的缺口效應(yīng)，容易形成應(yīng)力集中。

5.6 異種鋼對接位置存在著化學(xué)成分、金相組織、硬度強(qiáng)度，內(nèi)外溫度等不均勻因素，整個(gè)管段將難以協(xié)調(diào)變形和均衡受力，12Cr1MoV過熱區(qū)晶間金屬塑性變形能力弱化，具有應(yīng)力集中傾向，在高溫條件下，焊接殘余應(yīng)力、變形應(yīng)力、熱應(yīng)力等因素的綜合作用將致使此薄弱區(qū)間發(fā)生開裂。

6 結(jié)論

來樣管段異種鋼接頭部位的裂紋性質(zhì)應(yīng)為再熱裂紋。異種鋼對接的12Cr1MoV過熱區(qū)因焊接、熱處理、長時(shí)間高溫服役而發(fā)生晶界弱化，在焊接應(yīng)力、變形應(yīng)力、熱應(yīng)力等因素的綜合作用下便產(chǎn)生沿晶開裂。endprint