大唐鸡西第二热电有限公司1#锅炉中温过热器管开裂原因分析

李银山

（大唐鸡西第二热电有限公司）

摘 要：大唐鸡西第二热电有限公司现场检查发现1#锅炉中温二过热器前排第一根管有环向开裂现象，开裂部位于异种钢管对接处，送检样品含开裂部位及两侧足够长的管段。通过对1#锅炉中温二过热器管进行了机加取样，进行了检验和分析。

关键词：锅炉中温过热器；管开裂；原因分析

大唐鸡西第二热电有限公司现场检查发现1#锅炉中温二过热器前排第一根管有环向开裂现象，开裂部位于异种钢管对接处，送检样品含开裂部位及两侧足够长的管段。通过对1#锅炉中温二过热器管进行了机加取样，进行了检验和分析。

1 基本情况（委托方提供信息）

来样取自1#锅炉中温二过热器管前排第一根，位于炉膛标高36米处。送检管段总长约80cm，三节管由两处环向焊缝对接相连，焊缝宽度均约1cm，管段构成为12Cr1MoV（16cm）+12Cr1MoV（22cm）+T91（40cm），管材规格为Ф51×7mm。1#锅炉中温二过热器管运行时间约23000小时，管外部介质为烟气，内部介质为高温蒸汽。正常运行时，管壁温度530℃，管子内压17.5MPa。

2 宏观检验

来样管段分为三节，由两处环向焊缝对接相连，一处为12Cr1MoV的同种钢对接，另一处为12Cr1MoV+T91的异种钢对接，实测管外径（含氧化层）约为：12Cr1MoV管Ф53.5mm、T91管为Ф51.5mm。整个管段呈现出弯曲变形状，变形较大凸度位于12Cr1MoV连接管处，未见明显的管壁局部鼓包迹象，见照片1。管外壁附有较厚的氧化层，呈黑色和红褐色。

12Cr1MoV+T91的对接处存在环向开裂，裂纹发生在12Cr1MoV侧的焊接熔合区附近，位于管子变形的“凸”侧，外壁裂纹长度约为75mm，无明显裂纹分枝，未见其他裂纹存在。开裂部位的管段内壁形貌已焊透，焊缝两侧的管内壁有焊前机加痕迹（车削减薄），内壁裂纹长度约85mm，裂纹紧邻异种钢对接的12Cr1MoV侧熔合区，裂纹长度方向上走势与焊根形状基本吻合，裂纹深度方向上走势与焊接熔合区形状基本吻合。可见，裂纹的起源及扩展是在12Cr1MoV的熔合区或过热区中发生的。

3 金相检验

从12Cr1MoV+T91的组对接头处取纵向样进行了显微维氏硬度测试，发现：

3.1 低倍检验

从管段的异种钢接头部位取样进行金相低倍检验，检验面为管纵截面。 焊接不存在未焊透缺陷，裂纹紧邻12Cr1MoV熔合線，呈楔形，无明显分枝。在环向裂纹的端部取样，发现裂纹启自12Cr1MoV侧焊根部位，由内向外扩展，扩展路径基本与熔合线形状吻合。

3.2 高倍检验

从管段的异种钢接头的裂纹端部及弯曲凹侧取样进行金相高倍检验，检验面为管纵截面。

弯曲凸侧裂纹端部样：裂纹裂纹启自12Cr1MoV侧的焊接过热区中，并基本平行于熔合线由内向外曲折扩展，呈沿晶形式。焊缝金相组织为板条状回火马氏体，熔合线两侧的组织差异较大，12Cr1MoV侧为铁素体，焊缝侧为回火马氏体（黑带），有脱/增碳现象；12Cr1MoV侧过热区金相组织 为单相铁素体，存在断续的沿晶析出物；12Cr1MoV管母材金相组织为铁素体+碳化物，碳化物呈点状和小块状，主要分布于铁素体晶界，珠光体严重球化（5级）；T91侧熔合区形貌熔合线两侧的组织类型均属回火马氏体未见脱/增碳现象；T91侧过热区金相组织为回火马氏体，呈等轴晶；T91管母材金相组织为回火索氏体。弯曲凹侧样：无裂纹显示，各区金相组织与裂纹端部样基本相同。

4 断口检验

从管段的开裂处取样，对断口进行清理，利用扫描电子显微镜对断口形貌进行了观察。断口为沿晶形式，呈冰糖状（或岩石状），氧化层覆盖了断口表面，但晶粒多面体形态尚且明显，未见明显的塑性变形。

5 讨论分析

5.1 整个管段呈弯曲变形状，较大凸度位于12Cr1MoV连接管处，两种管材外径略有差异，12Cr1MoV管外径较T91管外径大2mm，但整个管段曲变形量和胀粗量不大。管段开裂发生于异种钢对接的弯曲凸侧，裂纹紧邻12Cr1MoV熔合区，处在焊接过热区中，呈单条裂透管壁，环向走势基本与焊根形状吻合。可见，此管段异种钢接头的12Cr1MoV焊接过热区是相对薄弱的部位。

5.2 从材料的化学分析角度看，来样管段异种钢接头位置成分梯度相对较大，在焊接、热处理及高温长时间运行过程中，12Cr1MoV侧过热区中的碳将部分向焊缝中扩散迁移，造成12Cr1MoV侧过热区脱碳、铁素体晶界产生碳化物聚集，将导致12Cr1MoV侧过热区的晶界高温强度更为薄弱。

5.3 显微维氏硬度测试结果显示，T91热影响区硬度略高于焊缝心部，但差异不大，变化相对平稳；12Cr1MoV硬度较低，尤其紧邻熔合线两侧，焊缝增碳带硬度280，12Cr1MoV过热区硬度值陡降至185，差值近100，硬度变化梯度较大。在受热、受力过程中，整管将难以协调变形（膨胀和弯曲），R40焊缝和T91保持相对高的硬度和拘束度，变形相对较小，而12Cr1MoV发生明显的材质弱化，变形量将相对较大。因此，12Cr1MoV过热区（弯曲凸侧）将处于一定的应力-应变作用。

5.4 从金分析结果看，来样管段异种钢接头位置金相组织变化梯度较大，尤其是12Cr1MoV熔合线的两侧，焊缝增碳带为回火马氏体，12Cr1MoV过热区为铁素体。来样管段异种钢对接位置有塑性变形，裂纹为单条、环向、穿透管壁，位于距熔合线约200um的12Cr1MoV过热区中，呈沿晶形式，裂纹边缘有氧化迹象，具有再热裂纹的特征，其他部位未见大幅变形、裂纹及原始缺陷。向火面与背火面的异种钢接头金相组织未见明显差异，12Cr1MoV管材严重球化（5级），强度将大幅度降低。

5.5 在管段的异种钢接头部位，两侧管内壁均有焊前机加减薄，12Cr1MoV过热区位于机加减薄区域，加之晶界弱化、晶粒粗大及各种不均衡因素，其承载能力和蠕变塑性均相对较弱，是再热裂纹的敏感部位，一般来讲，碳钢或低合金钢的再热裂纹敏感温度约550～650℃。焊缝背面与12Cr1MoV管内壁交界处（即焊根）属薄-厚分界，厚度方向上存在“小台阶”，具有明显的缺口效应，容易形成应力集中。

5.6 异种钢对接位置存在着化学成分、金相组织、硬度强度，内外温度等不均匀因素，整个管段将难以协调变形和均衡受力，12Cr1MoV过热区晶间金属塑性变形能力弱化，具有应力集中倾向，在高温条件下，焊接残余应力、变形应力、热应力等因素的综合作用将致使此薄弱区间发生开裂。

6 结论

来样管段异种钢接头部位的裂纹性质应为再热裂纹。异种钢对接的12Cr1MoV过热区因焊接、热处理、长时间高温服役而发生晶界弱化，在焊接应力、变形应力、热应力等因素的综合作用下便产生沿晶开裂。endprint