大唐雞西第二熱電有限公司1#鍋爐中溫過熱器管開裂原因分析

李銀山

（大唐雞西第二熱電有限公司）

摘 要：大唐雞西第二熱電有限公司現場檢查發現1#鍋爐中溫二過熱器前排第一根管有環向開裂現象，開裂部位于異種鋼管對接處，送檢樣品含開裂部位及兩側足夠長的管段。通過對1#鍋爐中溫二過熱器管進行了機加取樣，進行了檢驗和分析。

關鍵詞：鍋爐中溫過熱器；管開裂；原因分析

大唐雞西第二熱電有限公司現場檢查發現1#鍋爐中溫二過熱器前排第一根管有環向開裂現象，開裂部位于異種鋼管對接處，送檢樣品含開裂部位及兩側足夠長的管段。通過對1#鍋爐中溫二過熱器管進行了機加取樣，進行了檢驗和分析。

1 基本情況（委托方提供信息）

來樣取自1#鍋爐中溫二過熱器管前排第一根，位于爐膛標高36米處。送檢管段總長約80cm，三節管由兩處環向焊縫對接相連，焊縫寬度均約1cm，管段構成為12Cr1MoV（16cm）+12Cr1MoV（22cm）+T91（40cm），管材規格為Ф51×7mm。1#鍋爐中溫二過熱器管運行時間約23000小時，管外部介質為煙氣，內部介質為高溫蒸汽。正常運行時，管壁溫度530℃，管子內壓17.5MPa。

2 宏觀檢驗

來樣管段分為三節，由兩處環向焊縫對接相連，一處為12Cr1MoV的同種鋼對接，另一處為12Cr1MoV+T91的異種鋼對接，實測管外徑（含氧化層）約為：12Cr1MoV管Ф53.5mm、T91管為Ф51.5mm。整個管段呈現出彎曲變形狀，變形較大凸度位于12Cr1MoV連接管處，未見明顯的管壁局部鼓包跡象，見照片1。管外壁附有較厚的氧化層，呈黑色和紅褐色。

12Cr1MoV+T91的對接處存在環向開裂，裂紋發生在12Cr1MoV側的焊接熔合區附近，位于管子變形的“凸”側，外壁裂紋長度約為75mm，無明顯裂紋分枝，未見其他裂紋存在。開裂部位的管段內壁形貌已焊透，焊縫兩側的管內壁有焊前機加痕跡（車削減薄），內壁裂紋長度約85mm，裂紋緊鄰異種鋼對接的12Cr1MoV側熔合區，裂紋長度方向上走勢與焊根形狀基本吻合，裂紋深度方向上走勢與焊接熔合區形狀基本吻合。可見，裂紋的起源及擴展是在12Cr1MoV的熔合區或過熱區中發生的。

3 金相檢驗

從12Cr1MoV+T91的組對接頭處取縱向樣進行了顯微維氏硬度測試，發現：

3.1 低倍檢驗

從管段的異種鋼接頭部位取樣進行金相低倍檢驗，檢驗面為管縱截面。 焊接不存在未焊透缺陷，裂紋緊鄰12Cr1MoV熔合線，呈楔形，無明顯分枝。在環向裂紋的端部取樣，發現裂紋啟自12Cr1MoV側焊根部位，由內向外擴展，擴展路徑基本與熔合線形狀吻合。

3.2 高倍檢驗

從管段的異種鋼接頭的裂紋端部及彎曲凹側取樣進行金相高倍檢驗，檢驗面為管縱截面。

彎曲凸側裂紋端部樣：裂紋裂紋啟自12Cr1MoV側的焊接過熱區中，并基本平行于熔合線由內向外曲折擴展，呈沿晶形式。焊縫金相組織為板條狀回火馬氏體，熔合線兩側的組織差異較大，12Cr1MoV側為鐵素體，焊縫側為回火馬氏體（黑帶），有脫/增碳現象；12Cr1MoV側過熱區金相組織 為單相鐵素體，存在斷續的沿晶析出物；12Cr1MoV管母材金相組織為鐵素體+碳化物，碳化物呈點狀和小塊狀，主要分布于鐵素體晶界，珠光體嚴重球化（5級）；T91側熔合區形貌熔合線兩側的組織類型均屬回火馬氏體未見脫/增碳現象；T91側過熱區金相組織為回火馬氏體，呈等軸晶；T91管母材金相組織為回火索氏體。彎曲凹側樣：無裂紋顯示，各區金相組織與裂紋端部樣基本相同。

4 斷口檢驗

從管段的開裂處取樣，對斷口進行清理，利用掃描電子顯微鏡對斷口形貌進行了觀察。斷口為沿晶形式，呈冰糖狀（或巖石狀），氧化層覆蓋了斷口表面，但晶粒多面體形態尚且明顯，未見明顯的塑性變形。

5 討論分析

5.1 整個管段呈彎曲變形狀，較大凸度位于12Cr1MoV連接管處，兩種管材外徑略有差異，12Cr1MoV管外徑較T91管外徑大2mm，但整個管段曲變形量和脹粗量不大。管段開裂發生于異種鋼對接的彎曲凸側，裂紋緊鄰12Cr1MoV熔合區，處在焊接過熱區中，呈單條裂透管壁，環向走勢基本與焊根形狀吻合。可見，此管段異種鋼接頭的12Cr1MoV焊接過熱區是相對薄弱的部位。

5.2 從材料的化學分析角度看，來樣管段異種鋼接頭位置成分梯度相對較大，在焊接、熱處理及高溫長時間運行過程中，12Cr1MoV側過熱區中的碳將部分向焊縫中擴散遷移，造成12Cr1MoV側過熱區脫碳、鐵素體晶界產生碳化物聚集，將導致12Cr1MoV側過熱區的晶界高溫強度更為薄弱。

5.3 顯微維氏硬度測試結果顯示，T91熱影響區硬度略高于焊縫心部，但差異不大，變化相對平穩；12Cr1MoV硬度較低，尤其緊鄰熔合線兩側，焊縫增碳帶硬度280，12Cr1MoV過熱區硬度值陡降至185，差值近100，硬度變化梯度較大。在受熱、受力過程中，整管將難以協調變形（膨脹和彎曲），R40焊縫和T91保持相對高的硬度和拘束度，變形相對較小，而12Cr1MoV發生明顯的材質弱化，變形量將相對較大。因此，12Cr1MoV過熱區（彎曲凸側）將處于一定的應力-應變作用。

5.4 從金分析結果看，來樣管段異種鋼接頭位置金相組織變化梯度較大，尤其是12Cr1MoV熔合線的兩側，焊縫增碳帶為回火馬氏體，12Cr1MoV過熱區為鐵素體。來樣管段異種鋼對接位置有塑性變形，裂紋為單條、環向、穿透管壁，位于距熔合線約200um的12Cr1MoV過熱區中，呈沿晶形式，裂紋邊緣有氧化跡象，具有再熱裂紋的特征，其他部位未見大幅變形、裂紋及原始缺陷。向火面與背火面的異種鋼接頭金相組織未見明顯差異，12Cr1MoV管材嚴重球化（5級），強度將大幅度降低。

5.5 在管段的異種鋼接頭部位，兩側管內壁均有焊前機加減薄，12Cr1MoV過熱區位于機加減薄區域，加之晶界弱化、晶粒粗大及各種不均衡因素，其承載能力和蠕變塑性均相對較弱，是再熱裂紋的敏感部位，一般來講，碳鋼或低合金鋼的再熱裂紋敏感溫度約550～650℃。焊縫背面與12Cr1MoV管內壁交界處（即焊根）屬薄-厚分界，厚度方向上存在“小臺階”，具有明顯的缺口效應，容易形成應力集中。

5.6 異種鋼對接位置存在著化學成分、金相組織、硬度強度，內外溫度等不均勻因素，整個管段將難以協調變形和均衡受力，12Cr1MoV過熱區晶間金屬塑性變形能力弱化，具有應力集中傾向，在高溫條件下，焊接殘余應力、變形應力、熱應力等因素的綜合作用將致使此薄弱區間發生開裂。

6 結論

來樣管段異種鋼接頭部位的裂紋性質應為再熱裂紋。異種鋼對接的12Cr1MoV過熱區因焊接、熱處理、長時間高溫服役而發生晶界弱化，在焊接應力、變形應力、熱應力等因素的綜合作用下便產生沿晶開裂。endprint