某鍋爐12Cr1MoV鋼蒸汽管道開裂原因

(上海材料蔣橋紅, 謝金宏, 巴發(fā)海研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

鍋爐過熱器是利用爐膛燃燒產(chǎn)物的熱量將飽和蒸汽進(jìn)一步加熱成過熱蒸汽的裝置，由并聯(lián)的鋼管組成，其主要作用是將飽和水蒸氣加熱到額定溫度。鍋爐受熱面和承壓部件由水冷壁、過熱器、再熱器和省煤器組成，其中過熱器是鍋爐承壓部件中工作溫度最高的受熱面[1]。

12Cr1MoV鋼作為一種典型的珠光體低合金耐熱鋼，廣泛應(yīng)用于臨界、超臨界、亞臨界電站鍋爐部件中，如蒸汽參數(shù)不超過540 ℃的集箱、水冷壁、金屬壁溫不超過580 ℃的過熱器管道、再熱器以及部分鑄鍛件等。合金元素鉻、鉬能夠起到固溶強(qiáng)化的作用，釩元素形成的細(xì)小彌散的碳化物具有彌散強(qiáng)化的作用，使得12Cr1MoV鋼具有一定的持久強(qiáng)度和塑性，其具有抗氧化性能好、無熱脆傾向、生產(chǎn)工藝簡單、焊接性能較好等特點(diǎn)[2-4]。但12Cr1MoV鋼后屏過熱器在服役過程中長期處于高溫高壓環(huán)境下，鋼中原子的活動能力較強(qiáng)、擴(kuò)散速度加快，材料的顯微組織會隨著運(yùn)行時(shí)間的延長而發(fā)生石墨化、珠光體球化、固溶體中合金元素的貧化、蠕變損傷等劣化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鋼的力學(xué)性能如拉伸強(qiáng)度、沖擊韌性、持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度的不斷下降，造成過熱器的使用性能降低[5-6]。不同溫度下的腐蝕特性研究發(fā)現(xiàn)，12Cr1MoV鋼隨著溫度的升高其抗腐蝕性能減弱，腐蝕速率增加[7-8]。腐蝕和開裂是12Cr1MoV鋼在目前鍋爐運(yùn)行過程中常見的問題之一。

某公司鍋爐投用時(shí)間近3 a(年)，正常運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)過熱屏出口管道保溫層有少量冷凝液滲出，拆開保溫層后發(fā)現(xiàn)管道上有明顯環(huán)狀裂紋。該管道材料為12Cr1MoV鋼，該管道是過熱屏到二級減溫器及高溫過熱器的聯(lián)通管，管內(nèi)介質(zhì)為過熱蒸汽，工作壓力為9.2 MPa，工作溫度為520 ℃，管外為高溫保溫棉。為了找出該12Cr1MoV鋼蒸汽管道的開裂原因，筆者對其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

開裂蒸汽管道整體形貌如圖1a)所示，可見其上有環(huán)向裂紋，開裂位置如圖1b)所示。從蒸汽管道上截取裂紋處的試樣，人工將裂紋打開，裂紋面宏觀形貌如圖1c)所示，可見裂紋面呈黑色，說明裂紋面氧化發(fā)黑。裂紋面較為平整，未見明顯塑性變形，

圖1 開裂蒸汽管道的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracked steam pipe: a) overall morphology; b) crack location; c) crack surface; d) inner wall of crack location

為脆性斷裂的宏觀形貌特征，裂紋靠近內(nèi)壁處可見臺階，裂紋面上可見疲勞條帶，說明裂紋起源于內(nèi)壁，以疲勞的方式擴(kuò)展。采用M205A型體視顯微鏡對裂紋處的內(nèi)壁進(jìn)行觀察，可見內(nèi)壁處存在多道與主裂紋大致平行的環(huán)向微裂紋和較多的環(huán)向加工痕跡，如圖1d)所示。

1.2 化學(xué)成分分析

采用CS901B型紅外碳硫儀和ARL4460型光電直讀光譜儀分析開裂蒸汽管道的化學(xué)成分,結(jié)果見表1。由表1可知，開裂蒸汽管道的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoV鋼的成分要求。

表1 開裂蒸汽管道的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the cracked steam pipe (mass fraction) %

1.3 微觀分析

將人工打開的裂紋面置于ZEISS Sigma 500型掃描電鏡(SEM)下觀察，可見裂紋面內(nèi)壁臺階處為裂紋源區(qū)，其SEM形貌如圖2a)所示。放大觀察，裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)可見異物覆蓋，無法觀察原始斷口形貌，如圖2b)所示。對裂紋面上覆蓋的異物進(jìn)行能譜(EDS)分析，結(jié)果如圖3所示，可知裂紋面發(fā)生了氧化。

圖2 開裂蒸汽管道裂紋面SEM形貌Fig.2 SEM morphology of crack surface of the cracked steam pipe: a) crack source zone; b) crack growth zone

圖3 開裂蒸汽管道裂紋面EDS分析位置及EDS分析結(jié)果Fig.3 The a) EDS analysis location and b) EDS analysis results of crack surface of the cracked steam pipe

將管道內(nèi)壁置于ZEISS Sigma 500型SEM下觀察，可見多道與主裂紋平行的裂紋和多道環(huán)向加工痕跡，如圖4所示。對管道內(nèi)壁處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖5，可知內(nèi)壁發(fā)生了氧化。

圖4 開裂蒸汽管道內(nèi)壁SEM形貌Fig.4 SEM morphology of inner wall of the cracked steam pipe: a) circumferential machining marks; b) circumferential cracks

圖5 開裂蒸汽管道內(nèi)壁EDS分析位置及EDS分析結(jié)果Fig.5 The a) EDS analysis location and b) EDS analysis results of inner wall of the cracked steam pipe

截取裂紋處管道制備剖面金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于ZEISS Sigma 500型SEM下觀察，可見裂紋面與內(nèi)壁處都存在致密的氧化物覆蓋層，如圖6所示。還可見內(nèi)壁處存在凹坑，與內(nèi)壁形貌觀察所見的微裂紋及加工痕跡對應(yīng)，這些凹坑內(nèi)部可見致密氧化物覆蓋層，覆蓋層內(nèi)可見深色異物，并且深色異物有沿著裂紋向材料內(nèi)部伸展的趨勢。對深色異物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖7，從能譜分析結(jié)果可知，深色異物的磷元素含量較高。

圖6 開裂蒸汽管道裂紋處微觀形貌Fig.6 Micro morphology of crack of the cracked steam pipe

圖7 深色異物的EDS分析位置及EDS分析結(jié)果Fig.7 The a) EDS analysis location and b) EDS analysis results of the dark foreign matter

1.4 金相檢驗(yàn)

將之前制備的金相試樣，經(jīng)4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕后置于ZEISS Observer Z1m型金相顯微鏡下觀察，可見裂紋處顯微組織為鐵素體+珠光體，如圖8a)所示，放大觀察，可見珠光體發(fā)生球化，晶界上可見碳化物析出，但未觀察到蠕變孔洞，說明管道未發(fā)生蠕變，如圖8b)所示。

1.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

從開裂管道上取樣，使用Zwick Z250型拉伸試驗(yàn)機(jī)和Zwick型全洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)對其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和洛氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表2，可見結(jié)果符合GB/T 5310-2017對12Cr1MoV鋼的技術(shù)要求。

2 分析與討論

通過化學(xué)成分分析可知，開裂蒸汽管道的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017對12Cr1MoV鋼的成分要求；通過力學(xué)性能試驗(yàn)可知，開裂管道的力學(xué)性能符合GB/T 5310—2017對12Cr1MoV鋼的技術(shù)求；金相檢驗(yàn)結(jié)果表明開裂管道裂紋處的顯微組織為球化珠光體+鐵素體+析出碳化物，球化不嚴(yán)重，未發(fā)現(xiàn)蠕變孔洞。由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可排除由材料成分和性能等原因?qū)е碌墓艿篱_裂。通過宏觀分析可知，管道的裂紋面受到氧化而發(fā)黑，裂紋面上可見疲勞條帶，靠近內(nèi)壁處可見臺階，為疲勞開裂的宏觀形貌特征，分析認(rèn)為裂紋起源于內(nèi)壁，以疲勞的方式擴(kuò)展，內(nèi)壁可見多條與主裂紋平行的環(huán)向微裂紋與加工痕跡。通過SEM分析和EDS分析可知，裂紋面有致密的氧化物覆蓋層，無法觀察原始斷口形貌，可以判斷管道發(fā)生了氧化腐蝕，管道內(nèi)壁上可見較多與主裂紋平行的環(huán)向微裂紋與加工痕跡；主裂紋附近出現(xiàn)多條次裂紋的現(xiàn)象是疲勞腐蝕失效的表面特征之一[9]。通過剖面金相試樣的SEM形貌分析與能譜分析可知，內(nèi)壁處可見凹坑，對應(yīng)內(nèi)壁形貌觀察所見的微裂紋與加工痕跡，凹坑內(nèi)有致密氧化物覆蓋層，覆蓋層內(nèi)可見深色異物，并且深色異物有沿著裂紋向材料內(nèi)部伸展的趨勢，深色異物中的磷元素含量較高，說明管道內(nèi)部的介質(zhì)中存在磷，而磷元素在水汽環(huán)境中易形成酸性介質(zhì)，加速了材料的腐蝕[10]。

圖8 開裂蒸汽管道裂紋處顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of crack of the cracked steam pipe: a) at low magnification; b) at high magnification

表2 開裂蒸汽管道的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Mechanical properties test results of the cracked steam pipe

3 結(jié)論及建議

蒸汽管道內(nèi)壁加工痕跡處本身存在一定的應(yīng)力集中，在高溫環(huán)境下發(fā)生氧化腐蝕，增加了應(yīng)力敏感程度。蒸汽管道工作時(shí)受到因溫度變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)力和蒸汽通過時(shí)振動引起的交變應(yīng)力，腐蝕坑在該兩種作用力下產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而形成微裂紋，微裂紋在高溫環(huán)境和交變應(yīng)力的共同作用下擴(kuò)展，最終穿透管壁。

建議在使用過程中要維護(hù)保養(yǎng)好鍋爐蒸汽管道，定期檢查蒸汽管道，如發(fā)現(xiàn)管道上有微裂紋應(yīng)及時(shí)更換。