二級過熱器彎頭開裂失效分析

陳 勛

(武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所， 武漢 430024)

過熱器是電站鍋爐中服役溫度最高、承受壓力最大、使用環境最復雜的部件，在電站鍋爐的運行過程中也是爆管最頻繁的部件，過熱器的開裂、爆管極易造成鍋爐的緊急停運，嚴重影響鍋爐的安全經濟運行。

1 裂紋情況

某電站鍋爐投入運行以來，二級過熱器管排彎頭處先后發現3次裂紋，裂紋均位于彎管側面向火側，沿軸向開裂，見圖1。

圖1 過熱器彎頭現場照片

二級過熱器彎管材料為12Cr1MoVG，直徑為51 mm，壁厚為5 mm。該鍋爐為300 MW亞臨界鍋爐，主蒸汽壓力為16.67 MPa，主蒸汽溫度為538 ℃，已累計運行近30 000 h。圖2為裂紋的彎頭分析樣品。

圖2 開裂過熱器彎頭樣品

2 裂紋分析

2.1 化學成分

表1為樣品直管段化學成分分析，其化學成分符合GB/T 5310—2008 《高壓鍋爐用無縫鋼管》中12Cr1MoVG的要求。

表1 樣品直管段化學成分 %

2.2 力學性能

表2為樣品直管段力學性能，其力學性能符合GB/T 5310—2008 《高壓鍋爐用無縫鋼管》中12Cr1MoVG的要求。

表2 樣品直管段力學性能

2.3 宏觀裂紋

裂紋位于彎管向火側的中性面上，沿著彎管的軸向擴展，裂紋在彎管外表面長度約為120 mm，最大寬度約為3 mm(見圖2)。裂縫周圍管壁無明顯減薄，管徑無明顯漲粗現象，彎頭處僅一條主裂紋，主裂紋附近也無肉眼可見的微小裂紋。

圖3為裂紋斷口宏觀形貌，具有放射性條紋，人字形條紋頭部指向裂紋源，由此可判定斷口裂紋源于管內壁，裂紋由裂紋源向兩側和外壁擴展。圖4為裂紋末端截面宏觀形貌，可清晰看出裂紋由管內壁向外壁擴展。

圖3 裂紋斷口宏觀形貌

圖4 裂紋末端截面宏觀形貌

2.4 微觀裂紋

圖5為樣品直管段顯微組織，內外壁組織均為鐵素體、珠光體，以及少量的貝氏體組織，晶粒度級別均為8.0級，組織均未發生球化，內外壁全脫碳層均為0 mm，各類夾雜物級別為A0.5、B0.5、C0.5、D1.0。金相組織符合GB/T 5310—2008中12Cr1MoVG要求。

圖5 樣品直管段顯微組織

裂紋處顯微組織為馬氏體加少量貝氏體組織(見圖6)。

圖6 裂紋處顯微組織

對比直管段和彎管裂紋處顯微組織可知：彎管裂紋處組織已經產生相變，說明裂紋處材料曾到達過TAC1(加熱時珠光體開始向奧氏體轉變的臨界溫度)以上高溫，遠遠超過12Cr1MoVG的使用溫度上限(580 ℃)。12Cr1MoVG的持久強度和蠕變極限都會隨著溫度的提高而大幅降低，即使鍋爐在許用壓力下運行，高溫過熱器由于超溫運行，材料的持久強度和蠕變極限都會低于設計要求值，造成高溫過熱器開裂[1-2]；同時由于開裂處達到該彎頭材料的TAC1以上溫度，彎頭開裂是由短時超溫運行造成，因此開裂處并未產生明顯塑性變形。

大量文獻[3-6]研究表明：超溫運行引起的爆管是從外壁開裂，向內壁擴展。這是由于向火側的溫度較背火側高，過熱器外表面的持久強度和蠕變極限較內表面低而優先萌生裂紋。當管內介質對內壁造成腐蝕或管內壁存在機械損傷等情形作為裂紋源時，可導致裂紋萌生于管內壁。裂紋起裂點處管壁平滑，管內壁無明顯腐蝕現象，也不存在機械損傷等情形(見圖3)。圖7為裂紋擴展的微觀形貌。

圖7 裂紋擴展微觀形貌

由圖7可知：裂紋萌生于內壁，裂紋起裂點處無腐蝕痕跡，裂紋呈平直狀或階梯狀向外壁擴展，裂紋擴展后期有分枝，裂紋末端尖銳。在裂紋附近彎管內壁發現大量蠕變裂紋源(見圖8)。這些裂紋都是曲折的沿晶裂紋，方向大多沿著管子的軸向，屬楔形裂紋(W形)，起源于三叉晶界處，沿晶界擴展(見圖9)，裂紋形態呈典型的熱疲勞特征，裂紋是在較高應力下產生的蠕變疲勞斷裂。

圖8 管內壁蠕變裂紋源

圖9 蠕變裂紋源形態

圖10、圖11分別為彎管上裂紋附近管內壁和外壁的顯微組織。

圖10 裂紋附近管內壁顯微組織

圖11 裂紋附近管外壁顯微組織

由圖10可知：管內壁顯微組織中珠光體已明顯球化，球化級別為2級，晶粒度為7.5級，與直管段相比鐵素體晶粒尺寸略有長大。由圖11可知：管外壁顯微組織中珠光體均明顯球化，球化級為3級，晶粒度為6級，較管內壁球化程度加深。根據溫度與材料達到完全球化所需時間的關系式τ=Aeb/T(τ為達到完全球化所需時間；A為與化學成分等相關的常數；b為常數；T為絕對溫度)可知：溫度是影響球化程度的關鍵因素，溫度越高，球化速度迅速增加，球化等級就越高[7]。這說明彎管開裂附近管外壁溫度高于管內壁，管內外壁存在較大的溫差。

爆管斷口呈脆性特征，但裂紋附近發現大量蠕變裂紋源，說明開裂不是瞬時過載斷裂，經歷過比較緩慢的蠕變過程。電站鍋爐中二級過熱器管內是高溫、高壓過熱蒸汽，管外壁是高溫煙氣，服役環境苛刻，熱載荷存在較大偏差，當管內壓力和溫度發生變化時，很容易在過熱器管排中某個區域形成較大的溫度波動，極易誘發熱疲勞。正常情況下，過熱器向火側和背火側存在20～30 K的溫差，向火側由于溫度較高，其膨脹受到背火側的約束，使得管外壁受壓應力而內壁受到較高的拉應力[8]。蒸汽溫度和煙氣溫度的局部波動都會引起管內外壁的溫差應力的變化：溫度波動在10 K以內，溫差應力基本可以忽略；溫度波動在10～30 K，最大可引起60 MPa的溫差應力幅；溫度波動超過30 K時，可引起120 MPa的溫差應力幅[9]。

3 結語

(1) 內外壁較高的溫差可形成很大的溫差應力，爆管裂紋在溫差應力作用下產生蠕變疲勞斷裂，彎管裂紋在超溫狀態下發生相轉變，極大地降低了材料的持久強度和蠕變極限，加快了裂紋擴展速度。

(2) 裂紋起源于溫度較低的內壁，逐漸向外壁擴展，直至貫穿管壁。

(3) 裂紋附近管外壁晶粒明顯比內壁粗大，而遠離裂紋直管段內外壁晶粒度相差不大，開裂處存在較高的溫差。

參考文獻：

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