某鍋爐連接管彎管開裂原因分析

別爾蘭·賈納依汗，王曉磊，王永兵

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

1 引言

高溫過熱器出口集箱至集汽集箱的連接管，作為電站鍋爐蒸汽的主要連接管，處于鍋爐最后一級(jí)受熱面后，其服役溫度及壓力較高。由于其在鍋爐中的重要作用，是鍋爐定期內(nèi)部檢驗(yàn)的重點(diǎn)檢測(cè)部位，需通過無損檢測(cè)及金相檢測(cè)對(duì)其對(duì)接接頭及彎管處進(jìn)行抽查。

一般情況下，鍋爐主要連接管的失效形式主要有應(yīng)力失效（短時(shí)過熱、高溫蠕變）、水側(cè)腐蝕、疲勞及質(zhì)量控制失誤等[1]，而應(yīng)力失效中，高溫蠕變因管子脹粗量小，壁厚減薄不明顯，張口小，管道外包保溫等因素不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，一旦出現(xiàn)裂紋將迅速發(fā)展，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行及人身安全造成威脅。

目前電站鍋爐相關(guān)失效研究主要針對(duì)“四大管道”，鍋爐主要連接管的失效研究相對(duì)較少。某廠額定蒸發(fā)量為160t/h，9.8MPa高壓鍋爐，在服役92842h后，停爐進(jìn)行鍋爐定期內(nèi)部檢驗(yàn)。檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)其高溫過熱器出口集箱至集汽集箱右側(cè)第一根連接管對(duì)接接頭母材、熱影響區(qū)及彎管珠光體組織均發(fā)生5級(jí)球化，隨即對(duì)該部件增加抽查比例，在右向左第二根連接管與集汽集箱連接側(cè)的第一個(gè)彎管處發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋，材料為12Cr1MoVG鋼，規(guī)格為Φ（133×10）mm，服役溫度540 ℃。

為找出該裂紋開裂的原因，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的失效分析，并提出相關(guān)建議。

2 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

2.1 宏觀形貌

裂紋在連接管集汽集箱側(cè)第一彎管外弧頂點(diǎn)處，開裂位置，如圖1所示。裂紋宏觀形貌，如圖2所示。

圖1 連接管開裂位置Fig.1 Crack Location of the Connecting Pipe

圖2 裂紋形貌Fig.2 Crack Morphology

表面裂紋由彎管弧頂開裂，沿彎管向兩側(cè)擴(kuò)展，裂紋長(zhǎng)度70 mm左右。切開裂紋處管段，由橫截面可見裂紋沿厚度方向擴(kuò)展情況，裂紋從管道外表面起裂垂直向內(nèi)表面擴(kuò)展。裂紋處壁厚略微減薄，裂紋深度達(dá)7.5mm，占壁厚83%，裂紋幾乎貫穿管道，裂紋兩側(cè)及裂紋內(nèi)部存在大量氧化物，說明開裂時(shí)間較長(zhǎng)。

2.2 化學(xué)成分

使用直讀光譜儀對(duì)裂紋兩側(cè)鋼管進(jìn)行化學(xué)成分分析結(jié)果，如表1 所示?？梢?，其化學(xué)成分均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310?2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對(duì)12Cr1MoVG的要求。

表1 裂紋管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Tab.1 Chemical Composition of Cracked Tube（mass fraction，%）

2.3 力學(xué)性能

在失效管壁彎段中部截取縱向沖擊試樣和拉伸試驗(yàn)[2]。依據(jù)GB/T 229?2020分別對(duì)彎管進(jìn)行常溫沖擊和高溫沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣長(zhǎng)度為55mm，橫截面為（10×5）mm，因工件尺寸限制，采用厚度為5mm的小尺寸試樣，高溫沖擊試驗(yàn)溫度為540℃，沖擊試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 管材沖擊性能Tab.2 Impact Properties of Pipes

沖擊吸收功滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，斷口宏觀特征為韌性斷裂。拉伸試樣標(biāo)距段直徑為3mm，長(zhǎng)度為15mm，依據(jù)GB/T 228?2010 用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。由表3可以看出抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是斷后伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，材料塑性明顯降低，長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境服役的彎管性能劣化較為明顯。

表3 管材拉伸性能Tab.3 Tensile Properties of Pipes

采用維氏顯微硬度計(jì)，分別對(duì)表面裂紋區(qū)域及裂紋區(qū)域剖面進(jìn)行硬度試驗(yàn)。載荷為100g，保載時(shí)間為10s，測(cè)試間隔距離為100μm。測(cè)試點(diǎn)按照表面裂紋兩側(cè)等間距各22行，沿裂紋方向6列的矩陣分布。硬度分布三維等高線圖，如圖3（a）所示。表面裂紋附近應(yīng)力集中，硬度值較高達(dá)194 HV0.1，遠(yuǎn)離裂紋硬度值降低，平行裂紋方向交替出現(xiàn)低于135 HV0.1的硬度帶。截面裂紋的測(cè)試點(diǎn)按照裂紋兩側(cè)等間距各12行，沿裂紋方向5列的矩陣分布。硬度分布三維等高線圖，如圖3（b）所示。近裂紋處應(yīng)力集中硬度值較高，裂紋尖端硬度值最大為190 HV0.1，逐漸遠(yuǎn)離裂紋硬度值快速減低至135 HV0.1以下，且最終降至105 HV0.1左右，彎管整體硬度降低。

圖3 裂紋附近硬度分布Fig.3 Hardness Distribution Near Crack

2.4 顯微組織

分別取表面裂紋試樣和橫截面裂紋金相試樣。經(jīng)打磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕。微觀組織，如圖4、圖5所示。連接管彎管12Cr1MoVG 鋼組織為鐵素體+碳化物，珠光體已經(jīng)5級(jí)球化，珠光體層片狀完全消失，組織劣化嚴(yán)重[3]。表面裂紋顯微組織母材鐵素體晶粒尺寸受蠕變作用長(zhǎng)大。有較多與主裂紋平行的縱向裂紋[4]，蠕變特征明顯，蠕變裂紋沿晶界擴(kuò)展[5]。

圖4 裂紋附近光學(xué)顯微組織Fig.4 Optical Microstructure Near Crack

SEM顯微組織可見晶界析出碳化物，并呈鏈狀分布，碳化物處形成大量蠕變孔洞。在圖5（a）的A處跨蠕變孔洞和碳化物進(jìn)行微區(qū)成分線掃描分析結(jié)果，如圖6（a）所示。晶界碳化物以C、Cr、Mo元素偏聚形成的析出物[6]。成為裂紋萌發(fā)的起點(diǎn)。截面裂紋沿厚度向管道內(nèi)表面擴(kuò)展，具有明顯沿晶開裂特征，并依托晶界處碳化物形成大量蠕變微孔。截面裂紋深處的碳化物主要由C、Cr、Mo元素偏聚形成的析出物組成，如圖6（b）所示。

圖5 裂紋附近SEM顯微組織Fig.5 SEM Microstructure Near Crack

圖6 微區(qū)成分線掃描Fig.6 Composition Line Scanning of Micro Area

2.5 斷口形貌

將失效件沿裂紋掰開觀察斷口形貌。宏觀斷口呈粗糙顆粒狀，表面發(fā)黑無金屬光澤，斷口無剪切唇和塑性變形，如圖7（a）所示。通過掃描電鏡觀察斷口微觀形貌，如圖7（b）所示。由于斷口受管內(nèi)介質(zhì)的高溫作用，斷口表面嚴(yán)重氧化，被氧化膜覆蓋[7]，無法清晰觀察斷口微觀形貌。

圖7 斷口形貌Fig.7 Fracture Morphology

3 開裂原因分析

高溫過熱器出口集箱至集汽集箱連接管，作為電站鍋爐蒸汽主要連接管，處于鍋爐最后一級(jí)受熱面后，故其服役溫度及壓力較高。該彎管的制造工藝為冷彎后無需熱處理，彎管外弧存在一定塑性變形，并且因冷彎后產(chǎn)生的橢圓度及壁厚減薄會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，最大環(huán)向拉應(yīng)力一般位于橢圓短軸與外弧外壁的交點(diǎn)處。

綜合上述理化分析可知：連接管彎管化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求；高溫和常溫沖擊韌性達(dá)標(biāo)；抗拉和屈服強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但斷后伸長(zhǎng)率顯著低于標(biāo)準(zhǔn)值，表明材料的延展性和塑性較差。硬度結(jié)果表明裂紋附近1mm范圍受應(yīng)力集中影響，硬度值升高但符合標(biāo)準(zhǔn)要求。彎管整體硬度均低于合格指標(biāo)。組織分析珠光體5級(jí)球化，劣化嚴(yán)重，彎管外表面鐵素體明顯長(zhǎng)大，表面有較多平行縱向沿晶開裂的蠕變裂紋。高倍組織可見晶界處的碳化物形成較多蠕變微孔，碳化物以C、Cr、Mo元素偏聚形成的析出物組成。斷口顆粒粗糙，無明顯塑性變形，斷口表面覆蓋氧化膜。

綜上可知，該連接管長(zhǎng)期在高溫環(huán)境服役，珠光體5級(jí)球化。連接管發(fā)生高溫蠕變，合金元素向晶界碳化物偏聚，彎管整體硬度降低。連接管彎管外弧拉應(yīng)力集中，晶界滑動(dòng)受碳化物阻礙，形成蠕變空洞，材料塑性下降，空洞沿晶界長(zhǎng)大相互連接，形成蠕變裂紋[9]，直至宏觀開裂。

4 結(jié)論

（1）鍋爐高溫過熱器出口集箱至集汽集箱連接管彎管處開裂失效為長(zhǎng)期過熱條件下使用出現(xiàn)的高溫蠕變開裂。珠光體5級(jí)球化，硬度和塑性降低，受應(yīng)力作用，蠕變空洞相互連接形成宏觀裂紋。

（2）該部件彎管處裂紋長(zhǎng)度及深度均較大，建議加強(qiáng)運(yùn)行及檢修期間到金屬監(jiān)督、加強(qiáng)使用中的溫度控制。防止出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間過熱，及早發(fā)現(xiàn)類似缺陷，最大程度降低鍋爐爆管風(fēng)險(xiǎn)、人身安全及財(cái)產(chǎn)損失。