程?hào)|岳　金碩　孫旭東　馬琳琳　陳紀(jì)昌

摘要：某電站鍋爐低溫再熱器規(guī)格是φ50.8 mm×4.0 mm，材料牌號(hào)SA213-T91。鋼管在冷彎塑性變形超過(guò)90°時(shí)連續(xù)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。通過(guò)進(jìn)行鋼管化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測(cè)、金相和顯微硬度分析以及斷口形貌分析，確定冷彎斷裂成因。結(jié)果表明：SA213-T91內(nèi)表面碳含量偏高，造成鋼管內(nèi)表面硬度偏高，塑性急劇下降，導(dǎo)致冷彎時(shí)鋼管彎角以脆性解理方式開(kāi)裂。分析制造工藝發(fā)現(xiàn)，由于模鑄坯制造時(shí)存在鑄造偏析，頭部未切凈，致使管坯心部增碳，從而使鋼管內(nèi)表面發(fā)生增碳現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：蛇形管;冷彎斷裂;心部增碳

中圖分類(lèi)號(hào)：TG441.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）04-0100-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.17

0 前言

隨著電站鍋爐朝著大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展，制造工藝日趨復(fù)雜，所使用的材料要求也越高[1-2]。某超超臨界電站鍋爐低溫再熱器規(guī)格為φ50.8 mm×4.0 mm的SA213-T91鋼管，在冷彎塑性變形超過(guò)90°時(shí)連續(xù)發(fā)生多起彎管斷裂，蛇形管冷彎加工示意如圖1所示，鋼管冷彎時(shí)，在彎角內(nèi)側(cè)形成壓應(yīng)力塑性變形區(qū)，外側(cè)形成拉應(yīng)力塑性變形區(qū)。為了明確彎管斷裂原因，對(duì)鋼管進(jìn)行了檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分

在冷彎斷裂的鋼管上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)各元素含量均符合ASME SA213-2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SA213-T91鋼化學(xué)成分的技術(shù)要求。

1.2 力學(xué)性能

在發(fā)生斷裂的鋼管一端截取2個(gè)壓扁試樣，在閉合壓扁試驗(yàn)時(shí)，3點(diǎn)及6點(diǎn)位置內(nèi)壁發(fā)生了開(kāi)裂現(xiàn)象。在3點(diǎn)及6點(diǎn)位置截取縱向拉伸試樣2個(gè)，分別進(jìn)行室溫下的常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由表2可知，冷彎斷裂的鋼管屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度滿足ASME SA213-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但斷后伸長(zhǎng)率較低，塑性較差，明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

在鋼管斷口附近取橫向截面金相試樣，經(jīng)磨制和化學(xué)侵蝕后在光學(xué)顯微鏡下分別觀察鋼管外壁、中間層和內(nèi)壁的顯微組織，如圖2所示。

由圖2可知，鋼管外部和中部基體組織為正常的回火馬氏體，晶粒度為8～9級(jí);鋼管內(nèi)壁為回火馬氏體組織，但碳含量偏高，碳化物長(zhǎng)度約占鋼管截面周長(zhǎng)的20%。分別測(cè)試鋼管外壁、中間層和內(nèi)壁的顯微組織維氏顯微硬度，每個(gè)區(qū)域測(cè)量3次，結(jié)果取平均值。鋼管外壁、中間層和內(nèi)壁的硬度分別為214 HV、221 HV、255 HV，可見(jiàn)內(nèi)外壁硬度相差較大，內(nèi)壁碳化物較多處硬度最高，接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值。

1.4 宏觀和微觀斷口形貌分析

鋼管斷裂區(qū)的斷口形貌如圖3所示。可以看出，斷面平直，嚙合性好，無(wú)明顯斷面收縮，是脆性斷裂的典型形貌。斷口主要由放射區(qū)和剪切唇區(qū)構(gòu)成。內(nèi)表面主要是放射區(qū)，外表面斷口形貌是剪切唇區(qū)。裂紋優(yōu)先萌生于管道內(nèi)表面，沿放射區(qū)向外表面急劇擴(kuò)展。斷口掃描電鏡微觀形貌如圖4所示，解理臺(tái)階的尺寸約為10 μm，有些含有放射狀形貌。說(shuō)明裂紋在斷口上擴(kuò)展速度極快，符合塑性斷裂的典型特征。

2 分析與討論

綜合以上理化檢驗(yàn)結(jié)果分析表明，鋼管屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但斷后伸長(zhǎng)率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求，可塑性較差。在鋼管冷彎時(shí)，內(nèi)、外壁受力狀態(tài)不同，鋼管外側(cè)的內(nèi)壁組織受到擠壓變形，由于內(nèi)壁增碳嚴(yán)重且硬度最高，塑性急劇下降，鋼管最終發(fā)生脆性解理斷裂[3-4]。

由于SA213-T91鋼管中部及外表面的硬度及金相組織正常，說(shuō)明鋼管最終熱處理正常。根據(jù)鋼管制造工藝分析，內(nèi)壁產(chǎn)生增碳的可能性?xún)H為管坯心部增碳遺留，而管坯心部增碳的來(lái)源為模鑄坯在制造時(shí)頭部未切凈導(dǎo)致[5]。

3 結(jié)論

P91在鋼管成型過(guò)程中，應(yīng)控制內(nèi)表面的碳含量。本文中材料彎曲開(kāi)裂主要是由于模鑄坯在制造時(shí)頭部未切凈導(dǎo)致內(nèi)壁碳含量的增高，彎曲時(shí)受拉伸應(yīng)力的影響，導(dǎo)致基體內(nèi)部開(kāi)裂。

參考文獻(xiàn)：

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