含帶狀組織的鍋爐焊管橫縱向性能的差異性分析

郭宜東，蔡永江，劉獻(xiàn)良

（1.廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東汕尾 516600；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

火電廠鍋爐再熱蒸汽冷段管道所用材料多為20G 或A672B70CL32 等鋼種。在管道的理化性能檢驗(yàn)時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)沿管道軋制方向存在明顯的帶狀組織特征。有資料顯示，帶狀組織將引起材料橫向與縱向力學(xué)性能的顯著差異，使得材料的橫向性能顯著低于縱向[1]。鍋爐管道在高溫高壓環(huán)境運(yùn)行，管內(nèi)蒸汽壓力對長直管道產(chǎn)生的應(yīng)力主要引起管道橫向應(yīng)力過高，而管道沿縱向方向承受的應(yīng)力要小得多。因此，管道能否安全運(yùn)行，與其橫向性能的優(yōu)劣有較大關(guān)系，有必要對管道的橫縱性能差異進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所使用的材料取自某電廠再熱蒸汽冷段管道，管道設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)格為φ965 mm×27 mm，材料牌號為A672B70CL32鋼，設(shè)計(jì)溫度為316.7 ℃，設(shè)計(jì)壓力為4.47 MPa，服役時(shí)間為78591 h。A672B70CL32鋼為ASTM A672《中溫高壓用電熔化焊公稱管》中規(guī)定牌號，與20G 成分較為接近。標(biāo)準(zhǔn)對A672B70CL32 化學(xué)成分的規(guī)定以及取樣管的化學(xué)成分測試結(jié)果如表1所示。取樣管的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定wt%

2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

因管段規(guī)格相對較大，為避免管段材質(zhì)的不均勻性對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，將管段三等分，在3 個(gè)不同位置（A、B、C）取樣。每個(gè)位置分別取橫縱向金相各1個(gè)、橫縱向拉伸各1個(gè)、橫縱向沖擊各3個(gè)，并根據(jù)取樣位置對試樣編號。

位置A 取樣的編號如下：A-HJ（橫向金相）、A-ZJ（縱向金相）、A-HL （橫向拉伸）、A-ZL （縱向拉伸）、A-HC1～HC3（橫向沖擊）、A-ZC1～ZC3（縱向沖擊）。位置B、C試樣編號方法同位置A。

2.1 金相分析

依據(jù)GB/T 13298-2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，對3 個(gè)不同位置取樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，結(jié)果顯示3 個(gè)不同區(qū)域取樣的金相組織無明顯差異，均為鐵素體+珠光體，因此只將位置A 的顯微組織照片列出如圖1 所示。管段無論在橫向還是縱向均顯示出明顯的帶狀組織特征，但橫向試樣中基本平行的相鄰帶狀之間有交叉，縱向試樣中的相鄰帶狀則平行無交叉，這與焊管在卷制前的熱軋成形工藝有關(guān)。

圖1 位置A金相組織

2.2 力學(xué)性能分析

依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》及GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)，對取樣進(jìn)行室溫拉伸和沖擊性能測試，結(jié)果如表2所示。3個(gè)不同位置取樣橫向和縱向室溫強(qiáng)度無顯著差異，橫向試樣的斷面收縮率略低于縱向約2%～4%，橫向沖擊功比縱向低約12%～14%，橫向硬度值比縱向低約1%～2%，測試值均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。由此可以看出，該管段在橫向和縱向性能上的差異主要表現(xiàn)為橫向沖擊功的降低。

表2 試驗(yàn)用鋼力學(xué)性能及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

2.3 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》對3個(gè)不同位置的縱向金相試樣在拋光態(tài)下進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)并評級，如圖2所示。3位置非金屬夾雜物主要為球狀氧化物類，含量均為D1.5 級，而未發(fā)現(xiàn)明顯的硅酸鹽和硫化物夾雜，表明鋼管非金屬夾雜物控制較好。

圖2 非金屬夾雜物照片

2.4 沖擊斷口微觀分析

上述不同位置取樣的沖擊功數(shù)值基本相同，任意選取其中1 個(gè)橫向試樣A-HC1 和1 個(gè)縱向試樣A-ZC1 在電鏡下觀察。兩斷口宏觀上均有明顯的塑性變形，微觀上不同位置均表現(xiàn)出韌窩形貌，局部較大的韌窩底部有微小顆粒狀?yuàn)A雜物存在，兩斷口整體上均表現(xiàn)出較好的韌性斷裂特征。沖擊斷口SEM形貌如圖3所示。

圖3 沖擊斷口SEM形貌

3 分析與討論

亞共析鋼帶狀組織是鑄坯熱軋過程中形成的常見組織缺陷。連鑄坯在凝固過程中，碳在鋼中的擴(kuò)散速度較大，而其他合金元素的擴(kuò)散速度則要慢得多，導(dǎo)致合金元素在鋼中分布不均勻，形成枝晶偏析，枝晶偏析是形成帶狀組織的主要原因[2]。鑄坯在進(jìn)行軋制時(shí)，粗大的枝晶沿變形方向拉長，并逐漸與變形方向一致，形成碳及合金元素的貧化帶與富化帶彼此交替堆疊的帶狀區(qū)。在隨后的緩冷過程，先在碳及合金元素貧化帶形成以鐵素體為主的帶，而碳及合金元素富化帶在其后形成以珠光體為主的帶，最后形成了以鐵素體和珠光體彼此交替的帶狀組織。帶狀組織的消除主要從控制鋼的合金成分、鋼錠的澆注和軋制工藝等方面入手，包括控制鋼水過熱度、采用電磁攪拌、控制軋制速度和溫度等[3]。有資料顯示，非金屬夾雜物的含量也對帶狀組織的形成具有一定影響，但不是主要因素。

鋼中的帶狀組織使鋼材沿不同方向產(chǎn)生力學(xué)性能差異，帶狀組織對不同方向抗拉強(qiáng)度的影響較小，但會顯著降低垂直于軋制方向的塑性和斷面收縮率，尤其對沖擊性能影響顯著。帶狀組織越嚴(yán)重，材料的橫向沖擊性能就越差[4-5]。由于帶狀組織相鄰帶的顯微組織不同，在外力作用下性能較差的帶成為薄弱區(qū)域，而且強(qiáng)、弱帶之間會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得鋼產(chǎn)品在服役過程中易沿著鐵素體帶和珠光體帶的交界處開裂，縮短產(chǎn)品使用壽命[6]。

在本次試驗(yàn)分析中發(fā)現(xiàn)，取樣的A672B70CL32 鋼管橫向和縱向強(qiáng)度無顯著差異，橫向試樣的斷面收縮率略低于縱向約2%～4%，橫向沖擊功低于縱向約12%～14%，橫向硬度值比縱向低約1%～2%。可見，橫縱向試樣的強(qiáng)度和塑性并未出現(xiàn)較大差異，橫縱向的力學(xué)性能差異僅僅表現(xiàn)為橫向沖擊功的降低。文獻(xiàn)[7]對近似鋼種20G 進(jìn)行過橫縱向力學(xué)性能的對比，其縱向抗拉強(qiáng)度與本文結(jié)果接近，但橫向強(qiáng)度降低約40～50 MPa。而本文試驗(yàn)結(jié)果顯示鋼管橫向抗拉強(qiáng)度并無明顯降低，這可能與焊管卷制前的軋制成形工藝導(dǎo)致了橫向組織中出現(xiàn)略有交叉的帶狀組織，而縱向組織中的帶狀則平行無交叉有關(guān)。此外，鋼中非金屬夾雜物的種類和含量對鋼管橫向性能的降低影響顯著。隨著以硫化物為主的條帶狀?yuàn)A雜物含量的增多，鋼材橫向斷面收縮率會明顯降低[8]。非金屬夾雜物對鋼管橫向力學(xué)性能的降低要比帶狀組織的影響大得多。而本次試驗(yàn)用鋼管的非金屬夾雜物含量較低，只有輕微的球化氧化物類型的夾雜物存在，因此對鋼管橫向性能影響較小，沖擊斷口也相應(yīng)地表現(xiàn)出了較高的塑韌性。

4 結(jié)束語

（1）試驗(yàn)用鋼管橫縱向強(qiáng)度值無明顯差異，橫向斷面收縮率略低于縱向約2%～4%，橫向沖擊功低于縱向約12%～14%，橫向硬度值略低于縱向約1%～2%。

（2）試驗(yàn)鋼管除橫向沖擊功有一定的降低外，橫縱向強(qiáng)度和塑性基本無差異，這與焊管本身非金屬夾雜物含量較低，且焊管卷制前的軋制成形工藝導(dǎo)致橫向也形成了帶狀組織有關(guān)。