郭曉飛

（太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030008）

引言

12Cr1MoVG 高壓無縫鋼管的主要用途是用于制造高壓設(shè)備中過熱鋼管、蛇形管、管接頭等承壓件，使用溫度達(dá)580℃，12Cr1MoVG 合金管是在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上，適當(dāng)加入鉻、鉬、釩微量元素，從而提高鋼的力學(xué)性能、韌性和淬透性等各項(xiàng)性能。對于過熱器管排用的12Cr1MoVG 鋼管熱處理交貨狀態(tài)為正火加回火，正火溫度980 ℃～1 020 ℃，回火溫度720 ℃～760 ℃。顯微組織應(yīng)為鐵素體加粒狀貝氏體或鐵素體加珠光體或鐵素體加粒狀貝氏加珠光體或全貝氏體，可存在索氏體，不應(yīng)存在相變臨界溫度AC1～AC3 之間的不完全相變產(chǎn)物（黃塊狀組織）[1]。

我公司承接的某熱力公司一期項(xiàng)目供熱鍋爐工程的150 t/h 中溫中壓煤粉鍋爐3#鍋爐，注水打壓時(shí)發(fā)現(xiàn)低溫過熱器彎管處漏水，對泄漏部位取樣，分析其失效原因。

3#鍋爐于2017 年7 月安裝完畢，注水打壓檢驗(yàn)合格，放水壓縮空氣吹掃。2017 年10 月至2018 年4 月冬季保暖，2018 年9 月15 日鍋爐試運(yùn)行約1 周，未發(fā)現(xiàn)異常，隨后停爐。2018 年10 月至2019 年4 月冬季保暖；2019 年5 月17 日3#鍋爐分二級一次注水打壓時(shí)沒有壓力，檢查發(fā)現(xiàn)漏水。泄漏處為低溫過熱器蛇形彎管，部位為下彎頭。為此本文分析泄漏原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)杜絕類似泄露的再次發(fā)生。

1 裂紋破壞性試驗(yàn)及原因分析

1.1 宏觀試驗(yàn)分析

送檢泄漏低溫過熱器彎管試件，外觀檢查管子外壁呈棕紅色，彎管兩側(cè)外壁上存在肉眼可見的泄漏部位，呈裂紋狀形態(tài)。分別位于直管與彎管交接處，呈環(huán)狀分布；位于管子內(nèi)弧側(cè)沿切向分布。

為防止彎管試件在加工過程中產(chǎn)生熱影響顯微組織的變化，采用電極絲線切割的方式，同時(shí)增加了加工精度和試樣表面質(zhì)量，切取彎管的一端得環(huán)狀試樣，并沿彎管縱向均勻地刨分成兩半，觀察彎管內(nèi)壁形貌。剖開的低溫過熱器彎管明顯可見多條密集分布裂紋，其切向裂紋呈張開狀，說明低溫過熱器管排在彎制過程中本身可能存在較大的內(nèi)應(yīng)力，或在取樣過程中受外來機(jī)械力影響變形導(dǎo)致。此外，刨開的彎管試件內(nèi)表面可見棕紅色銹蝕區(qū)域。通過顯微鏡對彎管進(jìn)行表面形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，外壁裂紋旁呈較均勻的腐蝕；內(nèi)壁裂紋附近有點(diǎn)蝕坑。

1.2 酸浸試驗(yàn)分析

將線切割切取的彎管環(huán)形試樣進(jìn)行酸浸試驗(yàn)，觀察其低倍組織及缺陷，采用熱酸浸蝕法用溫度為70 ℃的1∶1 鹽酸水溶液浸蝕7 min，熱水刷洗干凈并吹干達(dá)到預(yù)期腐蝕效果，觀察橫截面低倍組織，其組織致密且無目視可見的夾雜、翻皮、白點(diǎn)、分層等宏觀缺陷。

同時(shí)，發(fā)現(xiàn)環(huán)形試樣內(nèi)壁表面由于酸蝕去除銹蝕層，明顯可觀察到一條較粗的裂紋，大致沿徑向分布，呈現(xiàn)有密集分布的極微小裂紋。

1.3 化學(xué)試驗(yàn)分析

低溫過熱器管排彎管材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為Φ51 mm×4 mm。采用蛇形線自動彎管機(jī)進(jìn)行冷彎，彎制后未進(jìn)行熱處理。通過直讀光譜儀對試樣進(jìn)行分析，實(shí)測彎管母材試樣化學(xué)成分，見表1。

表1 化學(xué)成分%

1.4 金相組織檢測

1.4.1 基礎(chǔ)檢驗(yàn)

非金屬夾雜：A 類，0.5 級；B 類，0.5 級；C 類，0.5 級；D 類，0.5 級；Ds 類，1.0 級。

組織：珠光體+鐵素體，晶粒度等級為7 級。

球化級別：1 級，組織特征為珠光體區(qū)域形態(tài)清晰，呈聚集形態(tài)，碳化物呈片層狀，判斷屬未球化。

通過金相檢驗(yàn)及球化評級結(jié)果表明，低溫過熱器彎管純凈度符合標(biāo)準(zhǔn)，金相組織狀態(tài)符合標(biāo)準(zhǔn)。

1.4.2 徑向縱截面檢測

在酸浸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，環(huán)形試樣內(nèi)壁表面存在裂紋，裂紋旁明顯可見網(wǎng)狀沿晶腐蝕形態(tài)。鑲嵌該徑向試樣，進(jìn)行金相檢驗(yàn)，浸蝕劑為4%硝酸酒精溶液，通過金相顯微鏡觀察到裂紋起源于彎管內(nèi)壁，垂直向縱深方向擴(kuò)展，呈細(xì)密分叉形態(tài)。

彎管試驗(yàn)內(nèi)外表面均存在脫碳，內(nèi)表面脫碳深度約為0.56 mm，外表面脫碳深度約為0.26 mm。彎管內(nèi)外側(cè)晶粒呈明顯冷塑性變形。彎管內(nèi)表面晶粒呈壓縮形態(tài)；彎管外表面晶粒呈拉長形態(tài)。見圖1 所示。

圖1 徑向試樣檢測

1.4.3 切向縱截面試樣檢測

取彎管內(nèi)側(cè)切向縱截面試樣，進(jìn)行金相檢驗(yàn)，浸蝕劑為4%硝酸酒精溶液，觀察到內(nèi)表面密集分布著裂紋，大致呈明顯分叉狀態(tài)。裂紋旁組織無非金屬夾雜物；裂紋有的直接起源于外表面，有的起源于表面腐蝕坑。裂紋形態(tài)由表面脫碳層向內(nèi)部延伸，大部分分叉裂紋沿著晶粒的晶界延伸，少量分叉裂紋沿穿晶擴(kuò)展，見圖2-1 所示。

圖2 切向試樣檢測

根據(jù)切向縱截面裂紋的微觀形態(tài)特征，可以確定其為應(yīng)力腐蝕裂紋。彎管母材無生產(chǎn)缺陷。

1.5 微觀斷口分析

對低溫過熱器彎管內(nèi)表面典型的微觀斷口進(jìn)行分析，通過宏觀檢測低溫過熱器彎管大尺寸裂紋，微觀斷口形貌已被銹蝕覆蓋，可判斷存在較深的裂縫，局部區(qū)域尚覆蓋著較厚的腐蝕產(chǎn)物，可見內(nèi)表面細(xì)小裂紋，見圖2-2 所示。

1.6 其他方面檢測

1.6.1 外形測量

低溫過熱器彎管的成形根據(jù)材料、規(guī)格、彎曲半徑、彎管形狀和彎管設(shè)備選用熱成形（即熱彎，包括內(nèi)側(cè)加熱彎及熱擠壓成形及中頻感應(yīng)加熱彎等）或冷彎，彎管的圓度測量彎頭頂點(diǎn)上測量的最大外徑和同截面上測量最小外徑[2]，外形測量依據(jù)GB/T 16507.5標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)測彎頭圓度≤14%，符合考核標(biāo)準(zhǔn)。

1.6.2 壁厚測量

在低溫過熱器彎管的直管段、彎管內(nèi)側(cè)和彎管外側(cè)各測量3 個(gè)點(diǎn)，通過超聲波測厚儀分別測量部分截面的壁厚，檢測彎管的實(shí)際壁厚：直段壁厚為4.03 mm、4.01 mm、4.06 mm；內(nèi)側(cè)壁厚為5.22 mm、5.37mm、5.40 mm；外側(cè)壁厚為3.32 mm、3.45 mm、3.70 mm，測量數(shù)據(jù)結(jié)果表明彎管因受冷塑性變形，內(nèi)側(cè)擠壓壁厚增加，外側(cè)拉長壁厚減薄。

1.6.3 硬度測量

在低溫過熱器彎管試樣，同樣測量彎管的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的實(shí)際硬度，彎管內(nèi)側(cè)所測得2 個(gè)點(diǎn)的硬度值251 HV、246 HV，彎管外側(cè)所測得2 個(gè)點(diǎn)的硬度值243 HV、248 HV，該彎管硬度值應(yīng)滿足原材料的性能要求，即依據(jù)GB/T5310 要求12CrlMoVG 鋼管標(biāo)準(zhǔn)值為135HV～195HV，實(shí)際硬度值偏高。

2 討論與分析

2.1 低溫過熱器管材質(zhì)方面

通過對低溫過熱器管材材質(zhì)為12CrlMoVG 的試樣進(jìn)行的金相檢測，其金相組織正常，晶粒度合格，未球化，且低倍組織觀察無原材料軋制過程的缺陷。內(nèi)外表面存在脫碳的情況。其中彎管母材規(guī)格為Φ51 mm×4 mm，彎曲半徑R=65 mm，計(jì)算得k=R/D=1.27。彎制后未進(jìn)行熱處理。即測得的彎管實(shí)際硬度值偏高。低過蛇形管緊湊設(shè)計(jì)，通常k 值在1.5 左右。隨著k 值的減小，彎曲殘余應(yīng)力增大。對于低碳合金鋼，k 值較大時(shí)可以不進(jìn)行熱處理，較小時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮對彎管做消應(yīng)力退火[3]?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)推薦界限值為1.4，此次泄漏低過管k 值為1.27。建議根據(jù)設(shè)備能力對彎管進(jìn)行工藝評定，冷彎后，建議進(jìn)行熱處理。

2.2 環(huán)境及鍋爐保養(yǎng)方面

機(jī)組鍋爐停運(yùn)時(shí)釆用熱爐放水，余熱烘干的方法，該方法不能確保徹底清理蛇形管內(nèi)的水，可能會造成管道腐蝕。依據(jù)《火力發(fā)電廠停（備）用熱力設(shè)備防銹蝕導(dǎo)則》的要求，余熱烘干法只能在鍋爐停運(yùn)時(shí)間小于一周的時(shí)候，該機(jī)組多次長時(shí)間停用。屬于保護(hù)措施不當(dāng)。

2.3 氧腐蝕方面

在停爐時(shí)由于保護(hù)不好，尤其下彎頭在停爐時(shí)積水，點(diǎn)蝕會時(shí)常發(fā)生。管內(nèi)的水由于氧的去極化作用，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，在管內(nèi)的鈍化膜破裂處發(fā)生氧腐蝕。彎頭處應(yīng)力集中，也促使點(diǎn)蝕的產(chǎn)生。

2.4 應(yīng)力腐蝕方面

通常應(yīng)力腐蝕開裂，都與所在的一種或更多的特定腐蝕性物質(zhì)有依賴關(guān)系，但是產(chǎn)生開裂并不總是需要特定的離子，簡單的環(huán)境就足以引起應(yīng)力腐蝕開裂。像純水、氧和其他物質(zhì)，在簡單的環(huán)境下也能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂[4]。

應(yīng)力腐蝕開裂只在拉應(yīng)力存在時(shí)產(chǎn)生，低過蛇形彎管冷彎后，如果k 值較小，彎后又未進(jìn)行消應(yīng)力處理，均會使彎管部位有較大的殘余拉應(yīng)力。

2.5 綜合分析

裂紋起源于彎管內(nèi)壁，裂源處呈現(xiàn)模糊不清的腐蝕跡象，向縱深方向發(fā)展；多條裂紋密集平行分布，裂紋呈分叉特征，沿晶或穿晶混合分布；微觀斷口上有腐蝕產(chǎn)物，顯著的二次裂紋或深縫。綜合分析認(rèn)為，裂紋性質(zhì)屬較溫和的環(huán)境下產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕。

應(yīng)力腐蝕有的起源于腐蝕坑，有的與腐蝕坑沒有關(guān)系，從內(nèi)表面處直接開裂。截面檢測中，氧腐蝕僅存在管子管壁處，并未擴(kuò)展延伸。反而，應(yīng)力腐蝕裂紋長短不一，有的已經(jīng)穿透或幾乎快穿透管壁。綜合分析認(rèn)為，應(yīng)力腐蝕是此次失效泄漏的直接原因。

3 結(jié)論

1）低溫過熱器彎管材質(zhì)方面純凈度合格，金相組織正常。

2）彎管內(nèi)壁產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕是低溫過熱器彎管泄漏的主要原因，啟動和停爐時(shí)可能有含氯和氧的水進(jìn)入管道，彎管在水溶液或受熱面局部區(qū)域出現(xiàn)游離濃堿，構(gòu)成了腐蝕環(huán)境，同時(shí)受到彎管冷彎后存在的殘余應(yīng)力的共同作用產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力腐蝕使金屬產(chǎn)生裂紋，從而造成低溫過熱器彎管的泄漏。