某锅炉12Cr1MoV钢蒸汽管道开裂原因

(上海材料蒋桥红, 谢金宏, 巴发海研究所 上海市工程材料应用与评价重点实验室, 上海 200437)

锅炉过热器是利用炉膛燃烧产物的热量将饱和蒸汽进一步加热成过热蒸汽的装置，由并联的钢管组成，其主要作用是将饱和水蒸气加热到额定温度。锅炉受热面和承压部件由水冷壁、过热器、再热器和省煤器组成，其中过热器是锅炉承压部件中工作温度最高的受热面[1]。

12Cr1MoV钢作为一种典型的珠光体低合金耐热钢，广泛应用于临界、超临界、亚临界电站锅炉部件中，如蒸汽参数不超过540 ℃的集箱、水冷壁、金属壁温不超过580 ℃的过热器管道、再热器以及部分铸锻件等。合金元素铬、钼能够起到固溶强化的作用，钒元素形成的细小弥散的碳化物具有弥散强化的作用，使得12Cr1MoV钢具有一定的持久强度和塑性，其具有抗氧化性能好、无热脆倾向、生产工艺简单、焊接性能较好等特点[2-4]。但12Cr1MoV钢后屏过热器在服役过程中长期处于高温高压环境下，钢中原子的活动能力较强、扩散速度加快，材料的显微组织会随着运行时间的延长而发生石墨化、珠光体球化、固溶体中合金元素的贫化、蠕变损伤等劣化现象，从而导致钢的力学性能如拉伸强度、冲击韧性、持久强度、蠕变强度的不断下降，造成过热器的使用性能降低[5-6]。不同温度下的腐蚀特性研究发现，12Cr1MoV钢随着温度的升高其抗腐蚀性能减弱，腐蚀速率增加[7-8]。腐蚀和开裂是12Cr1MoV钢在目前锅炉运行过程中常见的问题之一。

某公司锅炉投用时间近3 a(年)，正常运行过程中发现过热屏出口管道保温层有少量冷凝液渗出，拆开保温层后发现管道上有明显环状裂纹。该管道材料为12Cr1MoV钢，该管道是过热屏到二级减温器及高温过热器的联通管，管内介质为过热蒸汽，工作压力为9.2 MPa，工作温度为520 ℃，管外为高温保温棉。为了找出该12Cr1MoV钢蒸汽管道的开裂原因，笔者对其进行了一系列检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观分析

开裂蒸汽管道整体形貌如图1a)所示，可见其上有环向裂纹，开裂位置如图1b)所示。从蒸汽管道上截取裂纹处的试样，人工将裂纹打开，裂纹面宏观形貌如图1c)所示，可见裂纹面呈黑色，说明裂纹面氧化发黑。裂纹面较为平整，未见明显塑性变形，

图1 开裂蒸汽管道的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the cracked steam pipe: a) overall morphology; b) crack location; c) crack surface; d) inner wall of crack location

为脆性断裂的宏观形貌特征，裂纹靠近内壁处可见台阶，裂纹面上可见疲劳条带，说明裂纹起源于内壁，以疲劳的方式扩展。采用M205A型体视显微镜对裂纹处的内壁进行观察，可见内壁处存在多道与主裂纹大致平行的环向微裂纹和较多的环向加工痕迹，如图1d)所示。

1.2 化学成分分析

采用CS901B型红外碳硫仪和ARL4460型光电直读光谱仪分析开裂蒸汽管道的化学成分,结果见表1。由表1可知，开裂蒸汽管道的化学成分符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对12Cr1MoV钢的成分要求。

表1 开裂蒸汽管道的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the cracked steam pipe (mass fraction) %

1.3 微观分析

将人工打开的裂纹面置于ZEISS Sigma 500型扫描电镜(SEM)下观察，可见裂纹面内壁台阶处为裂纹源区，其SEM形貌如图2a)所示。放大观察，裂纹源区和裂纹扩展区可见异物覆盖，无法观察原始断口形貌，如图2b)所示。对裂纹面上覆盖的异物进行能谱(EDS)分析，结果如图3所示，可知裂纹面发生了氧化。

图2 开裂蒸汽管道裂纹面SEM形貌Fig.2 SEM morphology of crack surface of the cracked steam pipe: a) crack source zone; b) crack growth zone

图3 开裂蒸汽管道裂纹面EDS分析位置及EDS分析结果Fig.3 The a) EDS analysis location and b) EDS analysis results of crack surface of the cracked steam pipe

将管道内壁置于ZEISS Sigma 500型SEM下观察，可见多道与主裂纹平行的裂纹和多道环向加工痕迹，如图4所示。对管道内壁处进行能谱分析，结果见图5，可知内壁发生了氧化。

图4 开裂蒸汽管道内壁SEM形貌Fig.4 SEM morphology of inner wall of the cracked steam pipe: a) circumferential machining marks; b) circumferential cracks

图5 开裂蒸汽管道内壁EDS分析位置及EDS分析结果Fig.5 The a) EDS analysis location and b) EDS analysis results of inner wall of the cracked steam pipe

截取裂纹处管道制备剖面金相试样，经镶嵌、磨抛后置于ZEISS Sigma 500型SEM下观察，可见裂纹面与内壁处都存在致密的氧化物覆盖层，如图6所示。还可见内壁处存在凹坑，与内壁形貌观察所见的微裂纹及加工痕迹对应，这些凹坑内部可见致密氧化物覆盖层，覆盖层内可见深色异物，并且深色异物有沿着裂纹向材料内部伸展的趋势。对深色异物进行能谱分析，结果见图7，从能谱分析结果可知，深色异物的磷元素含量较高。

图6 开裂蒸汽管道裂纹处微观形貌Fig.6 Micro morphology of crack of the cracked steam pipe

图7 深色异物的EDS分析位置及EDS分析结果Fig.7 The a) EDS analysis location and b) EDS analysis results of the dark foreign matter

1.4 金相检验

将之前制备的金相试样，经4%(体积分数)硝酸酒精溶液浸蚀后置于ZEISS Observer Z1m型金相显微镜下观察，可见裂纹处显微组织为铁素体+珠光体，如图8a)所示，放大观察，可见珠光体发生球化，晶界上可见碳化物析出，但未观察到蠕变孔洞，说明管道未发生蠕变，如图8b)所示。

1.5 力学性能试验

从开裂管道上取样，使用Zwick Z250型拉伸试验机和Zwick型全洛氏硬度试验机对其进行拉伸试验和洛氏硬度试验，结果见表2，可见结果符合GB/T 5310-2017对12Cr1MoV钢的技术要求。

2 分析与讨论

通过化学成分分析可知，开裂蒸汽管道的化学成分符合GB/T 5310—2017对12Cr1MoV钢的成分要求；通过力学性能试验可知，开裂管道的力学性能符合GB/T 5310—2017对12Cr1MoV钢的技术求；金相检验结果表明开裂管道裂纹处的显微组织为球化珠光体+铁素体+析出碳化物，球化不严重，未发现蠕变孔洞。由以上理化检验结果可排除由材料成分和性能等原因导致的管道开裂。通过宏观分析可知，管道的裂纹面受到氧化而发黑，裂纹面上可见疲劳条带，靠近内壁处可见台阶，为疲劳开裂的宏观形貌特征，分析认为裂纹起源于内壁，以疲劳的方式扩展，内壁可见多条与主裂纹平行的环向微裂纹与加工痕迹。通过SEM分析和EDS分析可知，裂纹面有致密的氧化物覆盖层，无法观察原始断口形貌，可以判断管道发生了氧化腐蚀，管道内壁上可见较多与主裂纹平行的环向微裂纹与加工痕迹；主裂纹附近出现多条次裂纹的现象是疲劳腐蚀失效的表面特征之一[9]。通过剖面金相试样的SEM形貌分析与能谱分析可知，内壁处可见凹坑，对应内壁形貌观察所见的微裂纹与加工痕迹，凹坑内有致密氧化物覆盖层，覆盖层内可见深色异物，并且深色异物有沿着裂纹向材料内部伸展的趋势，深色异物中的磷元素含量较高，说明管道内部的介质中存在磷，而磷元素在水汽环境中易形成酸性介质，加速了材料的腐蚀[10]。

图8 开裂蒸汽管道裂纹处显微组织形貌Fig.8 Microstructure morphology of crack of the cracked steam pipe: a) at low magnification; b) at high magnification

表2 开裂蒸汽管道的力学性能试验结果Tab.2 Mechanical properties test results of the cracked steam pipe

3 结论及建议

蒸汽管道内壁加工痕迹处本身存在一定的应力集中，在高温环境下发生氧化腐蚀，增加了应力敏感程度。蒸汽管道工作时受到因温度变化而产生的热应力和蒸汽通过时振动引起的交变应力，腐蚀坑在该两种作用力下产生应力集中进而形成微裂纹，微裂纹在高温环境和交变应力的共同作用下扩展，最终穿透管壁。

建议在使用过程中要维护保养好锅炉蒸汽管道，定期检查蒸汽管道，如发现管道上有微裂纹应及时更换。