12Cr1MoVG高溫過熱器管排水壓試驗泄漏分析

趙志明， 夏 靜

(1.太原鍋爐集團有限公司，山西 太原 030008；2.山西醫(yī)科大學，山西 太原 030001)

引 言

過熱器又稱蒸汽過熱器，一般安裝在鍋爐爐膛出口位置，它的作用是將鍋筒中引出的飽和蒸汽(一般含有2%的水分)在壓力不變的條件下，再加熱到規(guī)定的過熱溫度，以滿足生產(chǎn)工藝的需要。當過熱器管的金屬溫度不超過580 ℃，可采用12Cr1MoVG鋼，提高鋼的耐熱性和高溫抗氧化能力，同時，12Cr1MoVG鋼具有良好的焊接性能和冷加工性能。在對12Cr1MoVG管排產(chǎn)前試樣進行水壓試驗時發(fā)生泄漏，對泄漏部位進行理化檢驗和分析，并給出在k=R/D=1.4情況下12Cr1MoVG管排制造工藝的改進建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢測

送檢水壓泄漏高過彎管段，外觀檢查有3處典型泄漏部位，呈裂紋狀。正面有兩條裂紋，一條位于直管與彎管交接處約40 mm處，呈環(huán)狀分布，長約25 mm；另一條裂紋，大致沿軸向分布，位于管子內(nèi)弧側(cè)。彎管反面有裂紋一條，見圖1所示。

圖1 高過彎管段宏觀形貌

使用0 mm～150 mm卡尺測量試件外徑尺寸，圓度符合GB/T16507.5-2013《水管鍋爐 第5部分制造》[1]使用DM5E測厚儀檢測試樣壁厚，壁厚數(shù)據(jù)見表1。

表1 試樣壁厚數(shù)據(jù)

在彎管兩端切取環(huán)狀試樣，剩余彎管部分沿彎曲弧度方向?qū)⒐茏涌v向剖成兩半，觀察內(nèi)表面情況。剖開的高過管可見多條密集分布裂紋，尤其軸向裂紋明顯張開，說明管子本身存在較大環(huán)向內(nèi)應(yīng)力，局部區(qū)域明顯可見棕紅色銹蝕區(qū)域。內(nèi)管壁裂紋宏觀形貌見圖2所示。

圖2 內(nèi)壁宏觀形貌(a～b)

使用ZOOM600E體視顯微鏡高過環(huán)形試樣經(jīng)1∶1工業(yè)鹽酸水溶液侵蝕后，橫截面低倍組織致密，未發(fā)現(xiàn)宏觀冶金缺陷，見圖3a)所示，內(nèi)壁由于酸蝕去除銹蝕層，明顯可觀察到一條較粗的裂紋，大致沿周向分布，還有密集分布的極微小裂紋，見圖3b)～c)所示。

圖3 酸浸試樣

1.2 顯微組織檢測

使用ZEISS AXIO Vert.A1金相顯微鏡對樣品進行金相分析。按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定方法》[2]對非金屬夾雜物進行評級，A類夾雜物0.5級，B類夾雜物0.5級，C類夾雜物0.5級，D類夾雜物0.5級，Ds類夾雜物1.0級。金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕，金相組織為珠光體和鐵素體，按GB/T6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》[3]評級組織晶粒度為7.0級，符合GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[4]，按DL/T773-2001《火電廠用12CrlMoV鋼球化評級標準》[5]對金相試樣進行球化評級，球化級別為1級，未球化。試驗結(jié)果表明，高過管純凈度合格，組織狀態(tài)合格。試樣周向微觀檢測，內(nèi)壁可見細絲狀網(wǎng)狀、半網(wǎng)狀沿晶裂紋，如圖4a)所示。鑲嵌試樣后，內(nèi)壁同樣可見網(wǎng)狀分布裂紋區(qū)域，深度約50 um。另有起源彎管內(nèi)壁，垂直縱向擴展，且有分叉的微裂紋，如圖4b)所示。試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，內(nèi)外表面均脫碳。其中，內(nèi)表面脫碳約為0.2 mm，見圖4c)～d)。彎管內(nèi)側(cè)及外側(cè)晶粒度呈明顯冷塑性變形。彎管內(nèi)側(cè)增厚區(qū)域，晶粒沿壁厚方向拉長，周向壓縮，彎管外側(cè)減薄區(qū)域，沿壁厚方向壓縮，沿周向拉長，見圖4e)～f)。彎管內(nèi)側(cè)的內(nèi)表面密集分布大量的小裂紋，大致平行分布，長短不一。小裂紋細密，垂直管壁方向，呈明顯分叉。裂紋旁無夾雜物；試樣經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，裂紋穿過內(nèi)表面脫碳層向內(nèi)部延伸，大部分裂紋沿變形晶粒生長，穿晶擴展，見圖4g)，根據(jù)裂紋微觀特征，可以確定為應(yīng)力引起的裂紋。裂紋與非金屬夾雜物類的材料冶金缺陷無關(guān)，與軋制類的熱加工裂紋缺陷無關(guān)。

圖4 顯微組織(a～g)

1.3 斷口分析

人工打開高過彎管大尺寸裂紋，使用Camscan3400進行斷口分析，可見斷口呈河流花樣狀，其中的每條支流都對應(yīng)著一個不同高度的相互平行的解理面之間的臺階。解理裂紋擴展過程中，眾多的臺階相互匯合，便形成了河流花樣。在河流的“上游”，許多較小的臺階匯合成較大的臺階，到“下游”，較大的臺階又匯合成更大的臺階。河流的流向恰好與裂紋擴展方向一致，由此可判斷為解理花樣見圖5a)～b)所示。

圖5 微觀斷口

1.4 硬度檢測

使用HXD-1000TMC維氏硬度儀依據(jù)GB/T4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分試驗方法》[6]對彎管內(nèi)、外側(cè)進行硬度檢測，內(nèi)側(cè)硬度值為251HV1、247HV1，外側(cè)硬度值為245HV1、248HV1，高于GB/T5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》[4]標準對12Cr1MoVG維氏硬度范圍135 HV～195 HV的要求。

2 分析及討論

高過管原材料純凈度合格：未發(fā)現(xiàn)軋制缺陷，致密度合格。組織狀態(tài)正常，屬未球化組織，晶粒度合格。彎管材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格Φ46 mm×4 mm，彎曲半徑R=65 mm，k=R/D=1.4。采用自動彎管機冷彎，彎制后未進行熱處理。隨著k值得減小，彎曲殘余應(yīng)力增大，未進行消應(yīng)力處理，均會使彎管部位有較大的殘余拉應(yīng)力。低合金碳鋼k值較大時可以不進行熱處理，較小時應(yīng)當考慮做消應(yīng)力退火。

3 結(jié)論及建議

12Cr1MoVG高過彎管產(chǎn)前試件水壓試驗泄漏原因系彎管內(nèi)壁產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，穿透管壁或不滿足承壓應(yīng)力所致。應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的原因系彎管冷彎后存在較大殘余應(yīng)力。根據(jù)此次12Cr1MoVG高過彎管產(chǎn)前試件水壓泄漏分析，建議k為1.4時，在冷彎后進行退火處理，消除應(yīng)力。