張海華，趙俊卿，于 雷，唐國(guó)喜，劉 歡

（吉林建龍鋼鐵有限責(zé)任公司，吉林 吉林 132000）

T91鋼是國(guó)內(nèi)鍋爐用鋼的主力鋼種之一，多用于壁溫不高于600℃的過(guò)熱器，它是在9Cr1MoV鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低碳含量，嚴(yán)格控制硫、磷含量，同時(shí)加入釩、鈮、氮等合金化元素進(jìn)行微合金化處理，它具有較高的室溫抗拉強(qiáng)度和優(yōu)異的高溫持久強(qiáng)度，良好的高溫抗氧化性和耐蝕性，低的熱膨脹系數(shù)和良好的導(dǎo)熱性，T91管具有良好的整管彎曲加工性能。

某廠(chǎng)鍋爐高溫過(guò)熱器從左往右第37屏蛇形管出口端距頂棚約2米位置發(fā)生爆管，該管服役7年有余，設(shè)計(jì)材質(zhì)為SA-213 T91，規(guī)格為φ38mm×5mm，管內(nèi)輸送溫度為540℃的脫鹽、脫氧水蒸氣，流量為25t/h，額定壓力為13.7Mpa，外部工作環(huán)境為含硫煙氣，溫度約900℃。

1 樣品宏觀(guān)狀態(tài)

圖1 宏觀(guān)狀態(tài)-爆口形貌

圖2 宏觀(guān)狀態(tài)-管內(nèi)壁裂紋

樣品為爆管的一部分，宏觀(guān)可見(jiàn)爆口處有明顯的漲粗變形和撕裂現(xiàn)象，管外壁有明顯氧化層，質(zhì)地較硬；管內(nèi)壁也有較厚的氧化層，部分氧化層可見(jiàn)沿縱向分布的裂紋，見(jiàn)圖1和圖2。經(jīng)數(shù)顯千分尺測(cè)量，爆口處壁厚已減薄至約3.96mm，在管子的另一端測(cè)量壁厚為4.57mm。

2 化學(xué)成分

在爆口附近加工試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析設(shè)備為ARL8860直讀光譜儀，分析結(jié)果見(jiàn)表1，表內(nèi)同時(shí)列出了T91化學(xué)成分規(guī)范值。

3 力學(xué)性能

受樣品尺寸影響，無(wú)法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)檢測(cè)，按照《GB/T4340.1-2009 金屬維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)后換算成強(qiáng)度值，維氏硬度檢測(cè)結(jié)果及換算后強(qiáng)度見(jiàn)表3，表內(nèi)同時(shí)列出了T91力學(xué)性能規(guī)范值。

表3 力學(xué)性能

4 微觀(guān)分析

4.1 取樣

在爆口附近，沿縱軸線(xiàn)截取縱向截面進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，編為1#-縱向；垂直鋼管縱軸線(xiàn)截取圓周面進(jìn)行金相顯微組織分析，編為1#-圓周面。金相組織采用苦味酸鹽酸溶液腐蝕劑進(jìn)行腐蝕，在Observe3M金相顯微鏡下觀(guān)察。

表1 化學(xué)成分分析

表2 爆口取樣室溫和高溫（550℃）拉伸試驗(yàn)

4.2 金相分析

（1）試樣基體非金屬夾雜物以球狀氧化物類(lèi)夾雜為主，未見(jiàn)大尺寸夾雜和其他雜質(zhì)。

（2）組織形貌。在1#-圓周面上多個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)，觀(guān)察其金相組織形貌。

鋼管的內(nèi)外壁均結(jié)有較厚的氧化層，外壁氧化層較厚，約為647μm，內(nèi)壁氧化層最大厚度約為287μm，見(jiàn)圖3。

經(jīng)苦味酸鹽酸溶液腐蝕劑腐蝕后，靠近管外壁的表面位置出現(xiàn)明顯的過(guò)熱現(xiàn)象，過(guò)熱層約為400μm，見(jiàn)圖4；管內(nèi)壁也出現(xiàn)較輕微的熱影響區(qū)，約為80μm，且內(nèi)壁局部位置出現(xiàn)了輕微脫碳現(xiàn)象。

通過(guò)檢測(cè)鋼管中心部位的顯微組織，為鐵素體+碳化物，基體顯微組織發(fā)生了轉(zhuǎn)變，基體上原始彌散細(xì)小分布的碳化物在晶界處析出，并聚集長(zhǎng)大，見(jiàn)圖5。

圖3 氧化層

圖4 過(guò)熱現(xiàn)象

圖5 顯微組織

5 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)表2數(shù)據(jù)顯示：溫度不同的條件下，爆口向火側(cè)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度顯著不如背火側(cè)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度。爆口向火側(cè)、背火側(cè)室溫條件下抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度低于ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且延伸率滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。爆口在高溫條件下其屈服強(qiáng)度低于GB5310-2008《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求，向火面樣品高溫條件下屈服強(qiáng)度同樣低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 電鏡掃描

使用Fei Quanta 400HV電子顯微鏡對(duì)爆口位置進(jìn)行掃描，如圖6所示。

a是低倍鏡下照片，可以明顯看到爆口上方有細(xì)小的纖維狀凹凸，b是高倍鏡下照片，爆口呈現(xiàn)韌窩狀態(tài)，因此可以斷定此爆口是塑性斷裂。

圖6 低倍鏡、高倍鏡下韌窩斷口形態(tài)

7 討論與結(jié)論

（1）通過(guò)化學(xué)成分分析，樣品成分符合SA-213中T91的規(guī)范要求。

（2）樣品宏觀(guān)形貌所示的管體脹粗變形和爆口撕裂形貌，鋼管爆口附近壁厚的減薄現(xiàn)象，表明鋼管自身不能承受管內(nèi)壓力，從而引起爆裂。

（3）微觀(guān)分析鋼管基體的非金屬夾雜物含量很低，說(shuō)明爆裂原因并非由非金屬夾雜物引起。

（4）T91原始顯微組織應(yīng)為回火馬氏體，原始彌散分布于基體的碳化物在晶界處大量析出，聚集長(zhǎng)大的現(xiàn)象，說(shuō)明金相組織發(fā)生了蠕變損傷，引起了管材強(qiáng)度的降低，這與硬度檢測(cè)結(jié)果一致，該樣品板條馬氏體的消失說(shuō)明高密度位錯(cuò)數(shù)量減少，合金元素由固溶體向碳化物轉(zhuǎn)移，聚集在晶界上的大顆粒碳化物使晶界強(qiáng)化效果下降。碳化物的逐漸長(zhǎng)大、粗化，削弱了鉻、鉬元素的固溶強(qiáng)化作用。這段管材使用過(guò)程中受熱超過(guò)了T91 的使用溫度上限，且時(shí)間較長(zhǎng)，通過(guò)管內(nèi)、外壁的組織過(guò)熱和脫碳現(xiàn)象也能說(shuō)明此點(diǎn)。

（5）另外，鋼管的內(nèi)壁和外壁，均附著了大量的、質(zhì)地堅(jiān)硬的氧化層，該氧化層應(yīng)為鐵與水蒸氣在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)生成的高溫氧化產(chǎn)物，其中外壁氧化層厚度超過(guò)了DL/T438-2016中規(guī)定的過(guò)熱器管外表面氧化層最大厚度600μm，氧化層的存在，阻隔了蒸汽介質(zhì)與管壁金屬的熱量交換，鋼管的導(dǎo)熱性明顯下降，溫度升高又加速了其氧化過(guò)程，如此惡性循環(huán)進(jìn)一步使該管段的實(shí)際使用溫度隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)不斷升高。

綜上所述，管體的長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱是導(dǎo)致管體性能下降的主要原因，最終不能承受管內(nèi)壓力，發(fā)生爆管失效。因此在實(shí)際工作中建議對(duì)蒸汽、金屬壁溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，預(yù)防溫度過(guò)高，最大程度上降低管材的老化，同時(shí)需要注意及時(shí)清理聯(lián)箱管道，避免因?yàn)槎氯F(xiàn)象出現(xiàn)的堵塞問(wèn)題。通過(guò)提升管材鑄造質(zhì)量，配合無(wú)損探傷檢驗(yàn)，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中明確平衡校驗(yàn)合格，最大程度上控制運(yùn)行載荷。