二级过热器弯头开裂失效分析

陈 勋

(武汉市锅炉压力容器检验研究所， 武汉 430024)

过热器是电站锅炉中服役温度最高、承受压力最大、使用环境最复杂的部件，在电站锅炉的运行过程中也是爆管最频繁的部件，过热器的开裂、爆管极易造成锅炉的紧急停运，严重影响锅炉的安全经济运行。

1 裂纹情况

某电站锅炉投入运行以来，二级过热器管排弯头处先后发现3次裂纹，裂纹均位于弯管侧面向火侧，沿轴向开裂，见图1。

图1 过热器弯头现场照片

二级过热器弯管材料为12Cr1MoVG，直径为51 mm，壁厚为5 mm。该锅炉为300 MW亚临界锅炉，主蒸汽压力为16.67 MPa，主蒸汽温度为538 ℃，已累计运行近30 000 h。图2为裂纹的弯头分析样品。

图2 开裂过热器弯头样品

2 裂纹分析

2.1 化学成分

表1为样品直管段化学成分分析，其化学成分符合GB/T 5310—2008 《高压锅炉用无缝钢管》中12Cr1MoVG的要求。

表1 样品直管段化学成分 %

2.2 力学性能

表2为样品直管段力学性能，其力学性能符合GB/T 5310—2008 《高压锅炉用无缝钢管》中12Cr1MoVG的要求。

表2 样品直管段力学性能

2.3 宏观裂纹

裂纹位于弯管向火侧的中性面上，沿着弯管的轴向扩展，裂纹在弯管外表面长度约为120 mm，最大宽度约为3 mm(见图2)。裂缝周围管壁无明显减薄，管径无明显涨粗现象，弯头处仅一条主裂纹，主裂纹附近也无肉眼可见的微小裂纹。

图3为裂纹断口宏观形貌，具有放射性条纹，人字形条纹头部指向裂纹源，由此可判定断口裂纹源于管内壁，裂纹由裂纹源向两侧和外壁扩展。图4为裂纹末端截面宏观形貌，可清晰看出裂纹由管内壁向外壁扩展。

图3 裂纹断口宏观形貌

图4 裂纹末端截面宏观形貌

2.4 微观裂纹

图5为样品直管段显微组织，内外壁组织均为铁素体、珠光体，以及少量的贝氏体组织，晶粒度级别均为8.0级，组织均未发生球化，内外壁全脱碳层均为0 mm，各类夹杂物级别为A0.5、B0.5、C0.5、D1.0。金相组织符合GB/T 5310—2008中12Cr1MoVG要求。

图5 样品直管段显微组织

裂纹处显微组织为马氏体加少量贝氏体组织(见图6)。

图6 裂纹处显微组织

对比直管段和弯管裂纹处显微组织可知：弯管裂纹处组织已经产生相变，说明裂纹处材料曾到达过TAC1(加热时珠光体开始向奥氏体转变的临界温度)以上高温，远远超过12Cr1MoVG的使用温度上限(580 ℃)。12Cr1MoVG的持久强度和蠕变极限都会随着温度的提高而大幅降低，即使锅炉在许用压力下运行，高温过热器由于超温运行，材料的持久强度和蠕变极限都会低于设计要求值，造成高温过热器开裂[1-2]；同时由于开裂处达到该弯头材料的TAC1以上温度，弯头开裂是由短时超温运行造成，因此开裂处并未产生明显塑性变形。

大量文献[3-6]研究表明：超温运行引起的爆管是从外壁开裂，向内壁扩展。这是由于向火侧的温度较背火侧高，过热器外表面的持久强度和蠕变极限较内表面低而优先萌生裂纹。当管内介质对内壁造成腐蚀或管内壁存在机械损伤等情形作为裂纹源时，可导致裂纹萌生于管内壁。裂纹起裂点处管壁平滑，管内壁无明显腐蚀现象，也不存在机械损伤等情形(见图3)。图7为裂纹扩展的微观形貌。

图7 裂纹扩展微观形貌

由图7可知：裂纹萌生于内壁，裂纹起裂点处无腐蚀痕迹，裂纹呈平直状或阶梯状向外壁扩展，裂纹扩展后期有分枝，裂纹末端尖锐。在裂纹附近弯管内壁发现大量蠕变裂纹源(见图8)。这些裂纹都是曲折的沿晶裂纹，方向大多沿着管子的轴向，属楔形裂纹(W形)，起源于三叉晶界处，沿晶界扩展(见图9)，裂纹形态呈典型的热疲劳特征，裂纹是在较高应力下产生的蠕变疲劳断裂。

图8 管内壁蠕变裂纹源

图9 蠕变裂纹源形态

图10、图11分别为弯管上裂纹附近管内壁和外壁的显微组织。

图10 裂纹附近管内壁显微组织

图11 裂纹附近管外壁显微组织

由图10可知：管内壁显微组织中珠光体已明显球化，球化级别为2级，晶粒度为7.5级，与直管段相比铁素体晶粒尺寸略有长大。由图11可知：管外壁显微组织中珠光体均明显球化，球化级为3级，晶粒度为6级，较管内壁球化程度加深。根据温度与材料达到完全球化所需时间的关系式τ=Aeb/T(τ为达到完全球化所需时间；A为与化学成分等相关的常数；b为常数；T为绝对温度)可知：温度是影响球化程度的关键因素，温度越高，球化速度迅速增加，球化等级就越高[7]。这说明弯管开裂附近管外壁温度高于管内壁，管内外壁存在较大的温差。

爆管断口呈脆性特征，但裂纹附近发现大量蠕变裂纹源，说明开裂不是瞬时过载断裂，经历过比较缓慢的蠕变过程。电站锅炉中二级过热器管内是高温、高压过热蒸汽，管外壁是高温烟气，服役环境苛刻，热载荷存在较大偏差，当管内压力和温度发生变化时，很容易在过热器管排中某个区域形成较大的温度波动，极易诱发热疲劳。正常情况下，过热器向火侧和背火侧存在20～30 K的温差，向火侧由于温度较高，其膨胀受到背火侧的约束，使得管外壁受压应力而内壁受到较高的拉应力[8]。蒸汽温度和烟气温度的局部波动都会引起管内外壁的温差应力的变化：温度波动在10 K以内，温差应力基本可以忽略；温度波动在10～30 K，最大可引起60 MPa的温差应力幅；温度波动超过30 K时，可引起120 MPa的温差应力幅[9]。

3 结语

(1) 内外壁较高的温差可形成很大的温差应力，爆管裂纹在温差应力作用下产生蠕变疲劳断裂，弯管裂纹在超温状态下发生相转变，极大地降低了材料的持久强度和蠕变极限，加快了裂纹扩展速度。

(2) 裂纹起源于温度较低的内壁，逐渐向外壁扩展，直至贯穿管壁。

(3) 裂纹附近管外壁晶粒明显比内壁粗大，而远离裂纹直管段内外壁晶粒度相差不大，开裂处存在较高的温差。

参考文献：

[1] 殷尊. 超超临界1 000 MW机组锅炉水冷壁爆管原因分析[J]. 热力发电, 2013, 42(7): 92-96.

[2] 姜勇, 巩建鸣, 叶有俊, 等. 12Cr1MoV过热器管劣化行为研究[J]. 压力容器, 2011, 28(2): 11-15, 43.

[3] 闫侯霞, 刘晓明. 12Cr1MoV水冷壁管失效后组织及硬度转变分析[J]. 热加工工艺, 2011, 40(6): 196-198.

[4] 王志文. 12CrlMoV过热管爆裂分析报告[R].上海: 华东理工大学化工机械研究所, 2002.

[5] 张而耕, 王琼琦, 关凯书, 等. 过热器管爆管原因的失效分析[J]. 压力容器, 2009, 26(5): 44-50.

[6] 赵彦芬. 扬子石化锅炉金属监督报告[R]. 苏州:苏州热工研究院有限公司电站寿命管理研究中心, 2007.

[7] 赵登志, 鞠占英, 宋静. 温度对12Cr1MoV钢管珠光体球化及力学性能的影响[J]. 电站系统工程, 2002, 18(3): 58-59.

[8] XU L J, KHAN J A, CHEN Z H. Thermal load deviation model for superheater and reheater of a utility boiler[J]. Applied Thermal Engineering, 2000, 20(6): 545-558.

[9] KWON O, MYERS M, KARSTENSEN A D, et al. The effect of the steam temperature fluctuations during steady state operation on the remnant life of the superheater header[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2006, 83(5): 349-358.