12Cr1MoVG高溫過熱器管排水壓試驗泄漏分析

趙志明， 夏 靜

(1.太原鍋爐集團有限公司，山西 太原 030008；2.山西醫科大學，山西 太原 030001)

引 言

過熱器又稱蒸汽過熱器，一般安裝在鍋爐爐膛出口位置，它的作用是將鍋筒中引出的飽和蒸汽(一般含有2%的水分)在壓力不變的條件下，再加熱到規定的過熱溫度，以滿足生產工藝的需要。當過熱器管的金屬溫度不超過580 ℃，可采用12Cr1MoVG鋼，提高鋼的耐熱性和高溫抗氧化能力，同時，12Cr1MoVG鋼具有良好的焊接性能和冷加工性能。在對12Cr1MoVG管排產前試樣進行水壓試驗時發生泄漏，對泄漏部位進行理化檢驗和分析，并給出在k=R/D=1.4情況下12Cr1MoVG管排制造工藝的改進建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢測

送檢水壓泄漏高過彎管段，外觀檢查有3處典型泄漏部位，呈裂紋狀。正面有兩條裂紋，一條位于直管與彎管交接處約40 mm處，呈環狀分布，長約25 mm；另一條裂紋，大致沿軸向分布，位于管子內弧側。彎管反面有裂紋一條，見圖1所示。

圖1 高過彎管段宏觀形貌

使用0 mm～150 mm卡尺測量試件外徑尺寸，圓度符合GB/T16507.5-2013《水管鍋爐 第5部分制造》[1]使用DM5E測厚儀檢測試樣壁厚，壁厚數據見表1。

表1 試樣壁厚數據

在彎管兩端切取環狀試樣，剩余彎管部分沿彎曲弧度方向將管子縱向剖成兩半，觀察內表面情況。剖開的高過管可見多條密集分布裂紋，尤其軸向裂紋明顯張開，說明管子本身存在較大環向內應力，局部區域明顯可見棕紅色銹蝕區域。內管壁裂紋宏觀形貌見圖2所示。

圖2 內壁宏觀形貌(a～b)

使用ZOOM600E體視顯微鏡高過環形試樣經1∶1工業鹽酸水溶液侵蝕后，橫截面低倍組織致密，未發現宏觀冶金缺陷，見圖3a)所示，內壁由于酸蝕去除銹蝕層，明顯可觀察到一條較粗的裂紋，大致沿周向分布，還有密集分布的極微小裂紋，見圖3b)～c)所示。

圖3 酸浸試樣

1.2 顯微組織檢測

使用ZEISS AXIO Vert.A1金相顯微鏡對樣品進行金相分析。按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定方法》[2]對非金屬夾雜物進行評級，A類夾雜物0.5級，B類夾雜物0.5級，C類夾雜物0.5級，D類夾雜物0.5級，Ds類夾雜物1.0級。金相試樣經4%硝酸酒精浸蝕，金相組織為珠光體和鐵素體，按GB/T6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》[3]評級組織晶粒度為7.0級，符合GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[4]，按DL/T773-2001《火電廠用12CrlMoV鋼球化評級標準》[5]對金相試樣進行球化評級，球化級別為1級，未球化。試驗結果表明，高過管純凈度合格，組織狀態合格。試樣周向微觀檢測，內壁可見細絲狀網狀、半網狀沿晶裂紋，如圖4a)所示。鑲嵌試樣后，內壁同樣可見網狀分布裂紋區域，深度約50 um。另有起源彎管內壁，垂直縱向擴展，且有分叉的微裂紋，如圖4b)所示。試樣經4%硝酸酒精溶液浸蝕后，內外表面均脫碳。其中，內表面脫碳約為0.2 mm，見圖4c)～d)。彎管內側及外側晶粒度呈明顯冷塑性變形。彎管內側增厚區域，晶粒沿壁厚方向拉長，周向壓縮，彎管外側減薄區域，沿壁厚方向壓縮，沿周向拉長，見圖4e)～f)。彎管內側的內表面密集分布大量的小裂紋，大致平行分布，長短不一。小裂紋細密，垂直管壁方向，呈明顯分叉。裂紋旁無夾雜物；試樣經4%硝酸酒精溶液浸蝕后，裂紋穿過內表面脫碳層向內部延伸，大部分裂紋沿變形晶粒生長，穿晶擴展，見圖4g)，根據裂紋微觀特征，可以確定為應力引起的裂紋。裂紋與非金屬夾雜物類的材料冶金缺陷無關，與軋制類的熱加工裂紋缺陷無關。

圖4 顯微組織(a～g)

1.3 斷口分析

人工打開高過彎管大尺寸裂紋，使用Camscan3400進行斷口分析，可見斷口呈河流花樣狀，其中的每條支流都對應著一個不同高度的相互平行的解理面之間的臺階。解理裂紋擴展過程中，眾多的臺階相互匯合，便形成了河流花樣。在河流的“上游”，許多較小的臺階匯合成較大的臺階，到“下游”，較大的臺階又匯合成更大的臺階。河流的流向恰好與裂紋擴展方向一致，由此可判斷為解理花樣見圖5a)～b)所示。

圖5 微觀斷口

1.4 硬度檢測

使用HXD-1000TMC維氏硬度儀依據GB/T4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分試驗方法》[6]對彎管內、外側進行硬度檢測，內側硬度值為251HV1、247HV1，外側硬度值為245HV1、248HV1，高于GB/T5310《高壓鍋爐用無縫鋼管》[4]標準對12Cr1MoVG維氏硬度范圍135 HV～195 HV的要求。

2 分析及討論

高過管原材料純凈度合格：未發現軋制缺陷，致密度合格。組織狀態正常，屬未球化組織，晶粒度合格。彎管材質為12Cr1MoVG，規格Φ46 mm×4 mm，彎曲半徑R=65 mm，k=R/D=1.4。采用自動彎管機冷彎，彎制后未進行熱處理。隨著k值得減小，彎曲殘余應力增大，未進行消應力處理，均會使彎管部位有較大的殘余拉應力。低合金碳鋼k值較大時可以不進行熱處理，較小時應當考慮做消應力退火。

3 結論及建議

12Cr1MoVG高過彎管產前試件水壓試驗泄漏原因系彎管內壁產生應力腐蝕裂紋，穿透管壁或不滿足承壓應力所致。應力腐蝕裂紋產生的原因系彎管冷彎后存在較大殘余應力。根據此次12Cr1MoVG高過彎管產前試件水壓泄漏分析，建議k為1.4時，在冷彎后進行退火處理，消除應力。