12Cr1MoV鋼過熱器管開裂原因

王曉東, 張繼明, 胡顯軍

[江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院, 張家港 215625]

鍋爐是一種能量轉(zhuǎn)換裝置,可將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為換熱器管道內(nèi)蒸汽的熱能。換熱器管道長期處于高溫、腐蝕性環(huán)境中,且承受一定壓力,這對(duì)鋼管性能提出了較高的要求。12Cr1MoV鋼為珠光體低合金耐熱鋼,該鋼在高溫環(huán)境下具有較好的強(qiáng)度和塑性,以及一定的抗氧化能力,常被用于制造工作溫度低于580 ℃的鍋爐換熱器管道[1-2]。目前,對(duì)過熱器管的研究主要集中于過熱導(dǎo)致的焊縫失效[3-4],對(duì)于非焊接部位的失效報(bào)道較少[5]。

某公司服役的過熱器管材料為12Cr1MoV無縫鋼管,外徑為38 mm,壁厚為4 mm。管內(nèi)通水蒸氣,設(shè)計(jì)入口溫度為257 ℃,出口溫度為379 ℃。管外為含CO、CO2和H2的高溫鍋爐氣。過熱器管服役兩個(gè)月后,鍋爐氣中的H2含量超標(biāo),隨即停爐檢查,發(fā)現(xiàn)過熱器管彎管處管壁上存在多條長度不等的裂紋。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢驗(yàn)等方法分析了過熱器管開裂的原因。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開裂過熱器管宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:管壁表面完好,僅在彎管處有輕微變形,在彎管外壁共發(fā)現(xiàn)7條肉眼可見的裂紋,依次標(biāo)記為裂紋1～7;裂紋1橫向部分長度約為25 mm,縱向部分長度約為80 mm,橫向裂紋與縱向裂紋連接處呈弧形過渡;裂紋2～7均為位于彎管側(cè)面的橫向裂紋,其中裂紋2～6位于同側(cè),長度為4～9 mm; 裂紋7位于裂紋6對(duì)側(cè),長度約為10 mm?？梢钥闯隽鸭y1～7的情況相同,選取典型的裂紋2進(jìn)行分析。

圖1 開裂過熱器管宏觀形貌

將開裂管段沿軸向剖開,觀察其內(nèi)、外壁形貌,管壁未發(fā)現(xiàn)明顯減薄,結(jié)果如圖2所示。鋼管內(nèi)、外壁被較厚的氧化層覆蓋,難以觀察裂紋形貌。由圖2可知:2,3號(hào)裂紋暴露在外壁部分,為橫向裂紋,長度分別為4.9,7.9 mm,裂紋兩端及中間局部位置呈圓形孔洞狀特征,且裂紋附近存在向外擴(kuò)展的溝痕;2,3號(hào)裂紋在內(nèi)壁長度均為10.3 mm,明顯大于外壁長度。與2,3號(hào)裂紋相鄰的彎管內(nèi)壁內(nèi)弧側(cè)存在大量的平行細(xì)裂紋,裂紋長度約3～8 mm,方向與環(huán)向呈小角度傾斜。

圖2 開裂管段裂紋宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,使用直讀光譜儀對(duì)開裂管進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:開裂管的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》對(duì)12Cr1MoVG鋼的要求。

表1 開裂管的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 硬度測試

在開裂管上截取試樣,使用維氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行維氏硬度測試。試樣的維氏硬度測試結(jié)果如表2所示。由表2可知:直管部分硬度符合GB/T 5310—2017的要求,而彎管部分平均硬度為235 HV,高于標(biāo)準(zhǔn)要求,表明彎管段發(fā)生了形變硬化。

表2 試樣的維氏硬度測試結(jié)果 HV

1.4 氫氣含量分析

依據(jù)GB/T 223.82—2018 《鋼鐵 氫含量的測定 惰性氣體熔融-熱導(dǎo)或紅外法》,用氧氮?dú)浞治鰞x每隔半個(gè)月對(duì)鍋爐煙氣中的氫含量進(jìn)行檢測,測得氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.41%,0.70%,0.78%,2.54%,可見平穩(wěn)運(yùn)行時(shí),氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1 %,而超標(biāo)后氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)已超過2.5%。采用氧氮?dú)浞治鰞x對(duì)開裂管段管壁進(jìn)行氫氣含量測定,結(jié)果顯示管壁中氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8×10-6,為正常管壁中氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1×10-6)的1.8倍。

1.5 掃描電鏡分析

在裂紋2處打開管樣,在SEM下觀察斷口表面的形貌,結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?整個(gè)斷口形貌表現(xiàn)為沿晶脆性開裂特征,尤其是靠近內(nèi)壁處沿晶斷裂特征顯著,在晶界處存在大量二次裂紋,沿晶開裂晶粒表面存在類似雞爪紋的白色紋路[見圖3a)],隨著裂紋由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展,沿晶斷裂面積比例逐漸減少,靠近外壁處,斷口表面呈半沿晶半穿晶脆性斷裂特征[見圖3c)]。

圖3 裂紋2斷口表面的SEM形貌

截取裂紋2附近彎管段與直管段的橫截面,制備試樣,將試樣鑲嵌、磨拋后,觀察其SEM形貌,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:無論彎管段還是直管段,內(nèi)壁的部分位置均存在深度為20～50 μm的不規(guī)則孔坑,還存在一層沿內(nèi)壁及孔坑周圍分布、厚度約為5 μm的氧化圓點(diǎn)聚集帶;而管外壁的氧化圓點(diǎn)數(shù)量大大降低,密度遠(yuǎn)少于內(nèi)壁且不再呈連續(xù)帶狀分布,孔坑密度也明顯降低;在直管段內(nèi)壁附近發(fā)現(xiàn)疏松缺陷。

圖4 彎管段與直管段橫截面SEM形貌

對(duì)試樣內(nèi)、外壁附近氧化圓點(diǎn)進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖5和表3所示。由表3可知:試樣內(nèi)、外壁氧化皮成分均為鐵的氧化物,氧化圓點(diǎn)中親氧元素(Cr、Mn、V等)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。研究發(fā)現(xiàn),將鋼加熱到1 100 ℃、保溫30 min以上時(shí),氧元素沿晶界擴(kuò)散到鋼中,與鋼中Mn、Cr等元素結(jié)合,生成氧化物圓點(diǎn)[6]?？芍摴軆?nèi)壁的缺陷比氧化圓點(diǎn)先出現(xiàn),且該缺陷在高溫?zé)崽幚黼A段就已經(jīng)產(chǎn)生,即鋼坯中的原始缺陷是經(jīng)穿孔軋制遺傳下來的[7-8]。

圖5 內(nèi)壁氧化圓點(diǎn)能譜分析位置

表3 內(nèi)壁氧化圓點(diǎn)成分分析結(jié)果 %

1.6 金相檢驗(yàn)

裂紋附近彎管段與直管段顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知:裂紋附近彎管部分與直管部分的顯微組織均為鐵素體+珠光體+少量貝氏體,晶粒度為7級(jí)。裂紋處與裂紋附近表面的脫碳層深度一致,外壁和內(nèi)壁完全脫碳層深度分別為50 μm和300 μm,直管外壁和內(nèi)壁完全脫碳層深度分別為60 μm和270 μm。除裂紋內(nèi)壁附近脫碳層深度接近標(biāo)準(zhǔn)值外,其余位置均符合GB/T 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)完全脫碳層深度的要求。

圖6 裂紋附近彎管段及直管段顯微組織形貌

2 綜合分析

由以上分析可知,12Cr1MoV鋼管斷裂處沒有明顯減薄和變形。除氫氣含量較高外,其化學(xué)成分、組織及脫碳層深度均滿足GB/T 5310—2017對(duì)12Cr1MoVG鋼的要求。對(duì)裂紋表面形貌觀察可以發(fā)現(xiàn),外壁觀察到的7條細(xì)裂紋均在彎管段,彎管內(nèi)壁內(nèi)弧側(cè)存在更多的細(xì)小裂紋。整個(gè)斷口表面均呈沿晶脆性斷裂特征。對(duì)斷裂管進(jìn)行硬度測試結(jié)果表明,直管段硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求,彎管段硬度超出標(biāo)準(zhǔn)要求,為形變硬化和殘余應(yīng)力所致。

由于鍋爐氣中的氫氣濃度超標(biāo),氫分子吸附于鋼管表面,并分解為氫原子,氫原子溶解并擴(kuò)散至管壁內(nèi)部[9],最終富集于管壁的孔坑、微裂紋以及氧化圓點(diǎn)等原始缺陷處[10]。氫原子在缺陷處結(jié)合成氫分子并產(chǎn)生氫壓,同時(shí)氫的滲入使晶界結(jié)合力大大降低,材料的塑性和韌性下降[11]。鋼管彎管時(shí)的冷加工使彎管段存在較大的殘余應(yīng)力,當(dāng)缺陷處富集的氫含量達(dá)到臨界值時(shí),在彎管內(nèi)壁內(nèi)弧側(cè)殘余拉應(yīng)力的復(fù)合作用下,缺陷處首先發(fā)生氫致脆性開裂[12]。

鋼管開裂的主要原因?yàn)闅錃夂砍瑯?biāo),以及鋼管內(nèi)、外壁的缺陷加速了氫致裂紋的產(chǎn)生。通過觀察鋼管縱截面,可以發(fā)現(xiàn)存在裂紋的彎管和無裂紋的直管管壁均存在大量孔坑、微裂紋以及氧化圓點(diǎn)等缺陷,并且內(nèi)壁上缺陷密度遠(yuǎn)高于外壁。這些缺陷為氫陷阱,富集了氫原子,成為氫致開裂的裂紋源[13-15]。開裂發(fā)生后,管內(nèi)流通的高溫、高壓水蒸氣對(duì)裂紋處持續(xù)進(jìn)行氧腐蝕,進(jìn)一步促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展。當(dāng)開裂部分管壁臨近穿孔厚度時(shí),管內(nèi)氣體沖出,形成斷口表面的氣道與鋼管外壁的發(fā)散狀溝槽。

3 結(jié)論

綜上所述,12Cr1MoV鋼過熱器管開裂是由于管坯本身存在疏松、氣孔等缺陷,經(jīng)穿孔軋制后,這些缺陷遺傳至鋼管內(nèi)壁處,形成孔坑、微裂紋等缺陷。鍋爐氣中的氫擴(kuò)散進(jìn)入管壁內(nèi),并在缺陷處富集,并與彎管段的殘余應(yīng)力產(chǎn)生耦合作用,優(yōu)先發(fā)生氫致應(yīng)力開裂。