1、前言
    某公司使用的鍋爐過熱管，使用約半年時間后在管子的彎管段發(fā)生爆管，過熱管材質(zhì)為12CrIMoVC，規(guī)格為∮38×3.5。管外為高溫煙氣，管內(nèi)為過熱蒸汽，管內(nèi)壓力約為1.2 MPa，高溫煙氣和管內(nèi)蒸汽通過過熱器管壁進行熱交換。為查清爆裂原因，避免高溫過熱器的再次爆裂，我們將爆裂的管段截下后，通過化學(xué)成分分析、硬度和力學(xué)性能測試、低倍和高倍金相觀察對其進行了失效分析。
2、理化檢驗
2.1宏觀檢驗
    宏觀檢查發(fā)現(xiàn)過熱器管彎頭部位存在多處裂紋，直管段沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，且裂紋位于彎管內(nèi)側(cè)或側(cè)面，沿軸向開裂，見圖l。觀察其斷口呈脆性裂口，無明顯塑性變形，彎頭裂紋處壁厚減薄量為(3.5—3. 4)/3.5=2.86%，減薄量在《鍋爐管子制造內(nèi)控標準》的控制范圍之內(nèi)，無顯著減薄現(xiàn)象，在彎頭開裂處管徑?jīng)]有脹粗現(xiàn)象。在直管段和彎頭處的裂紋部位取樣，進行低倍試驗，經(jīng)熱酸溶液腐蝕后，肉眼可見內(nèi)壁存在較多缺陷，如圖2。在該部位沿軸向?qū)ζ剩��?jīng)酸溶液熱蝕后，發(fā)現(xiàn)鋼管的內(nèi)壁存在延軸向分布的細小裂紋和缺陷，這些缺陷是軋制過程中產(chǎn)生的拉道，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
2.2化學(xué)成分分析
    在直管段取樣進行化學(xué)成分分析，使用SPEC-TROLAB M9型直讀光譜儀對管材進行成分分析，結(jié)果見表l。
2.3力學(xué)性能測試
    分別在彎頭有裂紋的直管段和彎頭無裂紋的直管段取樣，使用CMT5105型微機控制電子萬能試驗機進行拉伸試驗，結(jié)果見表2。
2.4硬度測試
    在遠離裂口處的直管段和彎頭處的裂口部位取樣，使用HV-10B型維氏硬度計進行硬度試驗，結(jié)果見表3。
2.5金相檢驗
    分別在遠離爆口處的直管段和彎頭處的爆口部位取樣，磨制金相試樣，采用日本OLYMPUS GX71型金相顯微鏡進行金相高倍觀察。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于鋼管內(nèi)壁，沿半徑方向向鋼管外壁發(fā)展，有的已穿透管壁，有的未穿透管壁，裂紋呈現(xiàn)沿晶開裂的特征，裂紋內(nèi)部充滿灰色填充物，見圖3，圖4。直管段和彎頭處的金相組織無明顯差異，均為鐵素體+珠光體，見圖5、圖6。珠光體呈中度球化，鋼管晶粒度為8級，夾雜物級別為BO.5，C0.5．D1.0。
3、分析與探討
    12CrlMoVG具有良好的工藝性．被廣泛用于鍋爐過熱器、再熱器等構(gòu)件的制造。鍋爐設(shè)備中過熱器爆管部位大部分發(fā)生在向火側(cè)以及管子彎頭處。造成過熱器爆管的原因大致可歸納為：管子超溫、管子球化嚴重、管子被腐蝕、管子質(zhì)量差、彎管不當?shù)取�從以上檢驗結(jié)果來看，鋼管的化學(xué)成分和金相組織符合國家標準CB5310 -1995中12CrlMoVG的規(guī)定。彎管處壁厚減薄量在《鍋爐管子制造內(nèi)控標準》的控制范圍之內(nèi)，管徑?jīng)]有脹粗。但是檢查發(fā)現(xiàn)，鋼管的學(xué)性能未達到GB5310 - 1995中12CrlMoVG的規(guī)定，其抗拉強度已接近甚至超過標準規(guī)定上限值，而延伸率未達到標準規(guī)定下限值，說明鋼管強度偏高塑性較差，存在一定脆性。另一方面，有試驗表明，球化對鋼的力學(xué)性能有較大影響，12CrIMoVG鋼隨著球化級別的增加，抗拉強度降低而塑性增加，而從以上我們對鋼管金相組織的觀察得知，鋼管經(jīng)使用半年后珠光體組織有中度球化，使用后的鋼管強度較使用前應(yīng)有所降低，由此我們可以推斷，使用前的過熱器管強度更高，塑性更差。眾所周知，管子在運行前存在裂紋或發(fā)紋、折疊、拉道等缺陷會加速管子的爆裂，從宏觀低倍檢查得知，鋼管內(nèi)壁存在較多延軸向分布的拉道和缺陷，這為裂紋的形成提供了內(nèi)因。彎管過程中，彎頭部位產(chǎn)生變形，鋼管經(jīng)歷了外側(cè)管壁減薄、內(nèi)壁管壁增厚、以及由圓變橢圓的過程，在該部位產(chǎn)生形變硬化，在彎頭處產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，彎頭處的硬度檢測結(jié)果高于直管段的硬度．也正好驗證了這一點。彎頭側(cè)面以及靠近彎管的內(nèi)側(cè)處鋼管內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力為拉應(yīng)力，裂紋一般由內(nèi)壁萌生，為鋼管的開裂提供了外因，工作時管內(nèi)外壓力差及溫差作用而產(chǎn)生的外加應(yīng)力和熱應(yīng)力，為應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生提供了充分條件。在鋼管中存在較大應(yīng)力的情況下，由于管材內(nèi)壁表面質(zhì)量較差，在內(nèi)壁拉道上形成應(yīng)力集中，這些拉道更容易成為裂紋源，當應(yīng)力超過材料的強度極限時便會產(chǎn)生開裂。
4、結(jié)論
    (1)該過熱管的化學(xué)成分符合GB5310 - 1995中12CrlMoVG的規(guī)定要求，而力學(xué)性能不符合規(guī)定要求，其強度偏高塑性較差。
    (2)過熱管產(chǎn)生的裂紋是應(yīng)力裂紋。
    (3)過熱管內(nèi)壁質(zhì)量較差，內(nèi)壁拉道等缺陷是造成過熱管開裂的內(nèi)因。過熱管彎頭的彎曲殘余應(yīng)力也是造成開裂的原因之一。
5、建議
    (1)提高鋼管內(nèi)外表面質(zhì)量，避免過熱管從表面形成裂紋源而產(chǎn)生開裂。
    (2)鋼管力學(xué)性能不符合標準要求，反映出鋼管的熱處理工藝不當，應(yīng)對鋼管的熱處理工藝進行優(yōu)化，確保鋼管的力學(xué)性能符合標準要求。
    (3)對于機械彎曲成形的過熱管，必須通過熱處理進行消除應(yīng)力退火，以降低彎管的殘余應(yīng)力。