別爾蘭·賈納依汗，王曉磊，王永兵

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

1 引言

高溫過熱器出口集箱至集汽集箱的連接管，作為電站鍋爐蒸汽的主要連接管，處于鍋爐最后一級受熱面后，其服役溫度及壓力較高。由于其在鍋爐中的重要作用，是鍋爐定期內(nèi)部檢驗的重點檢測部位，需通過無損檢測及金相檢測對其對接接頭及彎管處進行抽查。

一般情況下，鍋爐主要連接管的失效形式主要有應力失效（短時過熱、高溫蠕變）、水側(cè)腐蝕、疲勞及質(zhì)量控制失誤等[1]，而應力失效中，高溫蠕變因管子脹粗量小，壁厚減薄不明顯，張口小，管道外包保溫等因素不易及時發(fā)現(xiàn)，一旦出現(xiàn)裂紋將迅速發(fā)展，對鍋爐的安全運行及人身安全造成威脅。

目前電站鍋爐相關(guān)失效研究主要針對“四大管道”，鍋爐主要連接管的失效研究相對較少。某廠額定蒸發(fā)量為160t/h，9.8MPa高壓鍋爐，在服役92842h后，停爐進行鍋爐定期內(nèi)部檢驗。檢驗過程中發(fā)現(xiàn)其高溫過熱器出口集箱至集汽集箱右側(cè)第一根連接管對接接頭母材、熱影響區(qū)及彎管珠光體組織均發(fā)生5級球化，隨即對該部件增加抽查比例，在右向左第二根連接管與集汽集箱連接側(cè)的第一個彎管處發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋，材料為12Cr1MoVG鋼，規(guī)格為Φ（133×10）mm，服役溫度540 ℃。

為找出該裂紋開裂的原因，對其進行了系統(tǒng)的失效分析，并提出相關(guān)建議。

2 理化檢驗及結(jié)果

2.1 宏觀形貌

裂紋在連接管集汽集箱側(cè)第一彎管外弧頂點處，開裂位置，如圖1所示。裂紋宏觀形貌，如圖2所示。

圖1 連接管開裂位置Fig.1 Crack Location of the Connecting Pipe

圖2 裂紋形貌Fig.2 Crack Morphology

表面裂紋由彎管弧頂開裂，沿彎管向兩側(cè)擴展，裂紋長度70 mm左右。切開裂紋處管段，由橫截面可見裂紋沿厚度方向擴展情況，裂紋從管道外表面起裂垂直向內(nèi)表面擴展。裂紋處壁厚略微減薄，裂紋深度達7.5mm，占壁厚83%，裂紋幾乎貫穿管道，裂紋兩側(cè)及裂紋內(nèi)部存在大量氧化物，說明開裂時間較長。

2.2 化學成分

使用直讀光譜儀對裂紋兩側(cè)鋼管進行化學成分分析結(jié)果，如表1 所示?？梢?，其化學成分均符合國家標準GB/T 5310?2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG的要求。

表1 裂紋管化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Tab.1 Chemical Composition of Cracked Tube（mass fraction，%）

2.3 力學性能

在失效管壁彎段中部截取縱向沖擊試樣和拉伸試驗[2]。依據(jù)GB/T 229?2020分別對彎管進行常溫沖擊和高溫沖擊試驗，沖擊試樣長度為55mm，橫截面為（10×5）mm，因工件尺寸限制，采用厚度為5mm的小尺寸試樣，高溫沖擊試驗溫度為540℃，沖擊試驗結(jié)果，如表2所示。

表2 管材沖擊性能Tab.2 Impact Properties of Pipes

沖擊吸收功滿足標準要求，斷口宏觀特征為韌性斷裂。拉伸試樣標距段直徑為3mm，長度為15mm，依據(jù)GB/T 228?2010 用電液伺服萬能試驗機進行室溫拉伸試驗。由表3可以看出抗拉強度、屈服強度均滿足標準要求，但是斷后伸長率遠低于標準要求值，材料塑性明顯降低，長時間高溫環(huán)境服役的彎管性能劣化較為明顯。

表3 管材拉伸性能Tab.3 Tensile Properties of Pipes

采用維氏顯微硬度計，分別對表面裂紋區(qū)域及裂紋區(qū)域剖面進行硬度試驗。載荷為100g，保載時間為10s，測試間隔距離為100μm。測試點按照表面裂紋兩側(cè)等間距各22行，沿裂紋方向6列的矩陣分布。硬度分布三維等高線圖，如圖3（a）所示。表面裂紋附近應力集中，硬度值較高達194 HV0.1，遠離裂紋硬度值降低，平行裂紋方向交替出現(xiàn)低于135 HV0.1的硬度帶。截面裂紋的測試點按照裂紋兩側(cè)等間距各12行，沿裂紋方向5列的矩陣分布。硬度分布三維等高線圖，如圖3（b）所示。近裂紋處應力集中硬度值較高，裂紋尖端硬度值最大為190 HV0.1，逐漸遠離裂紋硬度值快速減低至135 HV0.1以下，且最終降至105 HV0.1左右，彎管整體硬度降低。

圖3 裂紋附近硬度分布Fig.3 Hardness Distribution Near Crack

2.4 顯微組織

分別取表面裂紋試樣和橫截面裂紋金相試樣。經(jīng)打磨、拋光，用體積分數(shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕。微觀組織，如圖4、圖5所示。連接管彎管12Cr1MoVG 鋼組織為鐵素體+碳化物，珠光體已經(jīng)5級球化，珠光體層片狀完全消失，組織劣化嚴重[3]。表面裂紋顯微組織母材鐵素體晶粒尺寸受蠕變作用長大。有較多與主裂紋平行的縱向裂紋[4]，蠕變特征明顯，蠕變裂紋沿晶界擴展[5]。

圖4 裂紋附近光學顯微組織Fig.4 Optical Microstructure Near Crack

SEM顯微組織可見晶界析出碳化物，并呈鏈狀分布，碳化物處形成大量蠕變孔洞。在圖5（a）的A處跨蠕變孔洞和碳化物進行微區(qū)成分線掃描分析結(jié)果，如圖6（a）所示。晶界碳化物以C、Cr、Mo元素偏聚形成的析出物[6]。成為裂紋萌發(fā)的起點。截面裂紋沿厚度向管道內(nèi)表面擴展，具有明顯沿晶開裂特征，并依托晶界處碳化物形成大量蠕變微孔。截面裂紋深處的碳化物主要由C、Cr、Mo元素偏聚形成的析出物組成，如圖6（b）所示。

圖5 裂紋附近SEM顯微組織Fig.5 SEM Microstructure Near Crack

圖6 微區(qū)成分線掃描Fig.6 Composition Line Scanning of Micro Area

2.5 斷口形貌

將失效件沿裂紋掰開觀察斷口形貌。宏觀斷口呈粗糙顆粒狀，表面發(fā)黑無金屬光澤，斷口無剪切唇和塑性變形，如圖7（a）所示。通過掃描電鏡觀察斷口微觀形貌，如圖7（b）所示。由于斷口受管內(nèi)介質(zhì)的高溫作用，斷口表面嚴重氧化，被氧化膜覆蓋[7]，無法清晰觀察斷口微觀形貌。

圖7 斷口形貌Fig.7 Fracture Morphology

3 開裂原因分析

高溫過熱器出口集箱至集汽集箱連接管，作為電站鍋爐蒸汽主要連接管，處于鍋爐最后一級受熱面后，故其服役溫度及壓力較高。該彎管的制造工藝為冷彎后無需熱處理，彎管外弧存在一定塑性變形，并且因冷彎后產(chǎn)生的橢圓度及壁厚減薄會產(chǎn)生附加應力，最大環(huán)向拉應力一般位于橢圓短軸與外弧外壁的交點處。

綜合上述理化分析可知：連接管彎管化學成分符合標準要求；高溫和常溫沖擊韌性達標；抗拉和屈服強度符合標準要求，但斷后伸長率顯著低于標準值，表明材料的延展性和塑性較差。硬度結(jié)果表明裂紋附近1mm范圍受應力集中影響，硬度值升高但符合標準要求。彎管整體硬度均低于合格指標。組織分析珠光體5級球化，劣化嚴重，彎管外表面鐵素體明顯長大，表面有較多平行縱向沿晶開裂的蠕變裂紋。高倍組織可見晶界處的碳化物形成較多蠕變微孔，碳化物以C、Cr、Mo元素偏聚形成的析出物組成。斷口顆粒粗糙，無明顯塑性變形，斷口表面覆蓋氧化膜。

綜上可知，該連接管長期在高溫環(huán)境服役，珠光體5級球化。連接管發(fā)生高溫蠕變，合金元素向晶界碳化物偏聚，彎管整體硬度降低。連接管彎管外弧拉應力集中，晶界滑動受碳化物阻礙，形成蠕變空洞，材料塑性下降，空洞沿晶界長大相互連接，形成蠕變裂紋[9]，直至宏觀開裂。

4 結(jié)論

（1）鍋爐高溫過熱器出口集箱至集汽集箱連接管彎管處開裂失效為長期過熱條件下使用出現(xiàn)的高溫蠕變開裂。珠光體5級球化，硬度和塑性降低，受應力作用，蠕變空洞相互連接形成宏觀裂紋。

（2）該部件彎管處裂紋長度及深度均較大，建議加強運行及檢修期間到金屬監(jiān)督、加強使用中的溫度控制。防止出現(xiàn)長時間過熱，及早發(fā)現(xiàn)類似缺陷，最大程度降低鍋爐爆管風險、人身安全及財產(chǎn)損失。