12Cr1MoV鋼主蒸汽管道失效分析

許明明 齊喜岑 王釗(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院蘇州分院，江蘇蘇州 215000)

12Cr1MoV鋼主蒸汽管道失效分析

許明明 齊喜岑 王釗(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院蘇州分院，江蘇蘇州 215000)

12Cr1MoV鋼是一種低碳低合金耐熱鋼，具有制造成本低、抗氧化性、高溫韌性等優點，在電站鍋爐制造方面具有廣泛的應用。某電站鍋爐的主蒸汽管道彎頭部位發現多處裂紋，本文通過金相檢測、力學性能試驗、化學成分分析、硬度檢測等手段，對其產生裂紋的原因進行分析探討。結果表明：管道出廠未進行回火處理或熱處理參數不合理和彎頭在加工過程中產生加工硬化未進行消應力處理是產生裂紋的主要原因。

裂紋；貝氏體；加工硬化

12Cr1MoV鋼是一種低碳低合金耐熱鋼，具有制造成本低、良好的抗氧化性及高溫強韌性等優點，與12CrMoV鋼相比，12Cr1MoV具有更高的抗氧化性及熱強性，蠕變極限與持久強度值很接近，同時在持久拉伸的情況下具有高的塑性，被廣泛應用于電站鍋爐的過熱器及主蒸汽管道[1]。近日，在某電站鍋爐的主蒸汽管道彎頭部位發現多處裂紋，本文通過金相檢測、力學性能試驗、化學分析、硬度檢測等手段，對其產生裂紋的原因進行分析探討。

1 裂紋部位

該電站鍋爐的主蒸汽管道材質為12Cr1MoV鋼，一般情況，12Cr1MoV鋼的供貨狀態為正火+回火，化學成分[2]（質量分數，%）為：0.08～0.15C，0.40～0.70Mn，0.17～0.37Si，0.90～1.20Cr, 0.25～0.35Mo，0.15～0.30V，≤0.035S，≤0.035P。但該主蒸汽管道由于資料缺失，供貨狀態不明。產生裂紋的彎頭為主蒸汽管道的第一個彎頭，如圖1所示。經磁粉檢測，發現4條表面裂紋，最長約30mm，打磨深度至壁厚三分之一處，未消除。

圖1 彎頭宏觀

2 試驗方法及結果

2.1 化學成分

由于主蒸汽管道的供貨狀態不明，首先通過化學分析的方法確定其化學成分，如下表所示：

表1 主蒸汽管道的化學成分

由表1可知，該主蒸汽管道材質確定為12Cr1MoV，且各項化學成分并無異常，均在標準范圍之內。

2.2 顯微組織及硬度

對管道材質取樣進行光學顯微組織分析，如圖2所示。將彎頭上的金屬氧化物打磨干凈露出金屬光澤后，取三點進行硬度檢測，表明硬度值在330～340HB之間。根據DL/T438-2009，電廠用12Cr1MoV鋼的硬度值在135～179HB之間，顯然該管道材質硬度嚴重超標。

圖2 主蒸汽管道顯微組織

圖2表明，該管道材質顯微組織呈羽毛狀，并在各板條間分布著沿板條長軸方向排列的碳化物短棒或小片，為上貝氏體+少量晶界碳化物。通常12Cr1MoV鋼在正火加高溫回火態使用，其顯微組織為先共析鐵素體加珠光體[3]。550～350℃范圍內形成的貝氏體稱為上貝氏體，金相組織呈羽毛狀，脆性，硬度較高。500倍光學顯微鏡下基本能夠識別清楚。上貝氏體多呈羽毛狀特征，光鏡下分辨不清楚鐵素體與滲碳體兩相，滲碳體分布在鐵素體條之間，碳含量低時，碳化物沿條間呈不連續的粒狀或鏈珠狀分布，碳含量高時，碳化物呈桿狀甚至連續狀分布。電鏡下條狀鐵素體大致平行，鐵素體條間分布與鐵素體軸相平行的細條狀滲碳體，鐵素體條內有較高的位錯密度，為一束大致平行的自奧氏體晶界長入奧氏體晶內的鐵素體。

2.3 拉伸及彎曲試驗

分別取樣對該管道材質進行拉伸及彎曲試驗，表明其抗拉強度為1053Mpa，無明顯屈服點，斷后伸長率為18.5%，180°彎曲試驗，無可見裂紋。

3 綜合分析

綜上可知，該主蒸汽管道材質化學成分并無異常，但顯微組織卻為上貝氏體+少量晶界碳化物，硬度嚴重超標。貝氏體是過冷奧氏體的中溫轉變產物，它以貝氏體鐵素體為基體、同時可能存在滲碳體、碳化物、殘余奧氏體等相組成的整合組織。上貝氏體形成溫度較高，鐵素體晶粒和碳化物較粗大，這種組織狀態使鐵素體條間易產生脆斷，鐵素體條本身也可能成為裂紋擴展的路徑。正火加高溫回火態的12Cr1MoV鋼，顯微組織為先共析鐵素體加珠光體。因此可以推斷，該管道材質供貨態并非正火加高溫回火或高溫回火工藝參數不合理導致產生了過多的貝氏體。同時，也應考慮到，上貝氏體本身硬度低，而且沖擊韌性較差，而此彎頭硬度卻在330～340HB之間，因此并非供貨態的原因造成其硬度超標。

該主蒸汽管道材質抗拉強度為1053Mpa，無明顯屈服點，斷后伸長率為18.5%。正常情況下，12Cr1MoV鋼的抗拉強度為440Mpa，屈服強度245 Mpa，考慮到上貝氏體+少量晶界碳化物的組織并不可能具有如此高的抗拉強度，因此應當為彎頭在加工過程中產生的加工硬化所致。彎頭在塑性變形的過程中，金屬的機械性能也產生明顯的變化，隨著變形程度的增加，其強度和硬度增加。彎頭在塑性變形后，并未經過合理的局部熱處理，導致殘余應力大幅增加，在使用過程中就導致母材撕裂，產生裂紋來釋放應力。

4 結語

綜上所述，該主蒸汽管道彎頭產生裂紋的影響因素有以下幾個方面：

（1）管道出廠未進行回火處理或熱處理參數不合理，導致供貨態組織為上貝氏體+少量晶界碳化物，塑韌性較差。

（2）管道彎頭在加工過程中產生加工硬化，未經過合理的局部熱處理，導致殘余應力大幅增加，在使用過程中就導致母材撕裂，產生裂紋。

[1]陳秋龍,楊安靜等.12Cr1MoV鋼中的粒狀貝氏體組織與高溫性能[J].金屬熱處理學報,1996(6).

[2]閆候霞,劉曉明.12Cr1MoV水冷壁管失效后組織及硬度轉變分析

[3]李智麗,韓鳳英.高壓過熱蒸汽管道失效分析[J].電子顯微學報，2001（04）

許明明（1967-），男，漢，江蘇蘇州，江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院蘇州分院、工程師，本科，研究方向：特種設備檢驗檢測及失效分析。