電站鍋爐低溫再熱器蛇形管冷彎斷裂成因分析

程東岳　金碩　孫旭東　馬琳琳　陳紀昌

摘要：某電站鍋爐低溫再熱器規格是φ50.8 mm×4.0 mm，材料牌號SA213-T91。鋼管在冷彎塑性變形超過90°時連續出現斷裂現象。通過進行鋼管化學成分分析、力學性能檢測、金相和顯微硬度分析以及斷口形貌分析，確定冷彎斷裂成因。結果表明：SA213-T91內表面碳含量偏高，造成鋼管內表面硬度偏高，塑性急劇下降，導致冷彎時鋼管彎角以脆性解理方式開裂。分析制造工藝發現，由于模鑄坯制造時存在鑄造偏析，頭部未切凈，致使管坯心部增碳，從而使鋼管內表面發生增碳現象。

關鍵詞：蛇形管;冷彎斷裂;心部增碳

中圖分類號：TG441.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0100-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.17

0 前言

隨著電站鍋爐朝著大型化、高參數化方向發展，制造工藝日趨復雜，所使用的材料要求也越高[1-2]。某超超臨界電站鍋爐低溫再熱器規格為φ50.8 mm×4.0 mm的SA213-T91鋼管，在冷彎塑性變形超過90°時連續發生多起彎管斷裂，蛇形管冷彎加工示意如圖1所示，鋼管冷彎時，在彎角內側形成壓應力塑性變形區，外側形成拉應力塑性變形區。為了明確彎管斷裂原因，對鋼管進行了檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 化學成分

在冷彎斷裂的鋼管上取樣進行化學成分分析，結果見表1，可見各元素含量均符合ASME SA213-2007標準對SA213-T91鋼化學成分的技術要求。

1.2 力學性能

在發生斷裂的鋼管一端截取2個壓扁試樣，在閉合壓扁試驗時，3點及6點位置內壁發生了開裂現象。在3點及6點位置截取縱向拉伸試樣2個，分別進行室溫下的常規力學性能試驗，結果如表2所示。由表2可知，冷彎斷裂的鋼管屈服強度、抗拉強度滿足ASME SA213-2007標準規定，但斷后伸長率較低，塑性較差，明顯低于標準要求。

1.3 金相檢驗

在鋼管斷口附近取橫向截面金相試樣，經磨制和化學侵蝕后在光學顯微鏡下分別觀察鋼管外壁、中間層和內壁的顯微組織，如圖2所示。

由圖2可知，鋼管外部和中部基體組織為正常的回火馬氏體，晶粒度為8～9級;鋼管內壁為回火馬氏體組織，但碳含量偏高，碳化物長度約占鋼管截面周長的20%。分別測試鋼管外壁、中間層和內壁的顯微組織維氏顯微硬度，每個區域測量3次，結果取平均值。鋼管外壁、中間層和內壁的硬度分別為214 HV、221 HV、255 HV，可見內外壁硬度相差較大，內壁碳化物較多處硬度最高，接近標準要求的上限值。

1.4 宏觀和微觀斷口形貌分析

鋼管斷裂區的斷口形貌如圖3所示。可以看出，斷面平直，嚙合性好，無明顯斷面收縮，是脆性斷裂的典型形貌。斷口主要由放射區和剪切唇區構成。內表面主要是放射區，外表面斷口形貌是剪切唇區。裂紋優先萌生于管道內表面，沿放射區向外表面急劇擴展。斷口掃描電鏡微觀形貌如圖4所示，解理臺階的尺寸約為10 μm，有些含有放射狀形貌。說明裂紋在斷口上擴展速度極快，符合塑性斷裂的典型特征。

2 分析與討論

綜合以上理化檢驗結果分析表明，鋼管屈服強度、抗拉強度滿足標準規定，但斷后伸長率明顯低于標準要求，可塑性較差。在鋼管冷彎時，內、外壁受力狀態不同，鋼管外側的內壁組織受到擠壓變形，由于內壁增碳嚴重且硬度最高，塑性急劇下降，鋼管最終發生脆性解理斷裂[3-4]。

由于SA213-T91鋼管中部及外表面的硬度及金相組織正常，說明鋼管最終熱處理正常。根據鋼管制造工藝分析，內壁產生增碳的可能性僅為管坯心部增碳遺留，而管坯心部增碳的來源為模鑄坯在制造時頭部未切凈導致[5]。

3 結論

P91在鋼管成型過程中，應控制內表面的碳含量。本文中材料彎曲開裂主要是由于模鑄坯在制造時頭部未切凈導致內壁碳含量的增高，彎曲時受拉伸應力的影響，導致基體內部開裂。

參考文獻：

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[2] 韓佳泉，那宇齡，常鳳華，等. T91鋼的研究現狀及焊接[J]. 黑龍江電力技術，1999（3）：23-25.

[3] 鄭準備，張兵，王小迎. P91鋼的性能與組織結構研究[J].熱加工工藝，2008，31（24）：57-58.

[4] 李志翔，李曉平，趙永強. 火力發電廠新材料T91/P91鋼性能綜述[J]. 云南電力技術，2004（1）：17-19.

[5] 孫彪. T/P91鋼馬氏體強化機理研究[D]. 陜西：西安工業大學，2015.