12Cr1MoV钢过热器管开裂原因

王晓东, 张继明, 胡显军

[江苏省(沙钢)钢铁研究院, 张家港 215625]

锅炉是一种能量转换装置,可将燃料的化学能转换为换热器管道内蒸汽的热能。换热器管道长期处于高温、腐蚀性环境中,且承受一定压力,这对钢管性能提出了较高的要求。12Cr1MoV钢为珠光体低合金耐热钢,该钢在高温环境下具有较好的强度和塑性,以及一定的抗氧化能力,常被用于制造工作温度低于580 ℃的锅炉换热器管道[1-2]。目前,对过热器管的研究主要集中于过热导致的焊缝失效[3-4],对于非焊接部位的失效报道较少[5]。

某公司服役的过热器管材料为12Cr1MoV无缝钢管,外径为38 mm,壁厚为4 mm。管内通水蒸气,设计入口温度为257 ℃,出口温度为379 ℃。管外为含CO、CO2和H2的高温锅炉气。过热器管服役两个月后,锅炉气中的H2含量超标,随即停炉检查,发现过热器管弯管处管壁上存在多条长度不等的裂纹。笔者采用宏观观察、化学成分分析、硬度测试、扫描电镜(SEM)分析、金相检验等方法分析了过热器管开裂的原因。

1 理化检验

1.1 宏观观察

开裂过热器管宏观形貌如图1所示。由图1可知:管壁表面完好,仅在弯管处有轻微变形,在弯管外壁共发现7条肉眼可见的裂纹,依次标记为裂纹1～7;裂纹1横向部分长度约为25 mm,纵向部分长度约为80 mm,横向裂纹与纵向裂纹连接处呈弧形过渡;裂纹2～7均为位于弯管侧面的横向裂纹,其中裂纹2～6位于同侧,长度为4～9 mm; 裂纹7位于裂纹6对侧,长度约为10 mm。可以看出裂纹1～7的情况相同,选取典型的裂纹2进行分析。

图1 开裂过热器管宏观形貌

将开裂管段沿轴向剖开,观察其内、外壁形貌,管壁未发现明显减薄,结果如图2所示。钢管内、外壁被较厚的氧化层覆盖,难以观察裂纹形貌。由图2可知:2,3号裂纹暴露在外壁部分,为横向裂纹,长度分别为4.9,7.9 mm,裂纹两端及中间局部位置呈圆形孔洞状特征,且裂纹附近存在向外扩展的沟痕;2,3号裂纹在内壁长度均为10.3 mm,明显大于外壁长度。与2,3号裂纹相邻的弯管内壁内弧侧存在大量的平行细裂纹,裂纹长度约3～8 mm,方向与环向呈小角度倾斜。

图2 开裂管段裂纹宏观形貌

1.2 化学成分分析

依据GB/T 4336—2016 《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》,使用直读光谱仪对开裂管进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:开裂管的化学成分符合GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》对12Cr1MoVG钢的要求。

表1 开裂管的化学成分分析结果 %

1.3 硬度测试

在开裂管上截取试样,使用维氏硬度计对试样进行维氏硬度测试。试样的维氏硬度测试结果如表2所示。由表2可知:直管部分硬度符合GB/T 5310—2017的要求,而弯管部分平均硬度为235 HV,高于标准要求,表明弯管段发生了形变硬化。

表2 试样的维氏硬度测试结果 HV

1.4 氢气含量分析

依据GB/T 223.82—2018 《钢铁 氢含量的测定 惰性气体熔融-热导或红外法》,用氧氮氢分析仪每隔半个月对锅炉烟气中的氢含量进行检测,测得氢气质量分数分别为0.41%,0.70%,0.78%,2.54%,可见平稳运行时,氢气质量分数小于1 %,而超标后氢气质量分数已超过2.5%。采用氧氮氢分析仪对开裂管段管壁进行氢气含量测定,结果显示管壁中氢气质量分数为1.8×10-6,为正常管壁中氢气质量分数(1×10-6)的1.8倍。

1.5 扫描电镜分析

在裂纹2处打开管样,在SEM下观察断口表面的形貌,结果如图3所示。可以看出,整个断口形貌表现为沿晶脆性开裂特征,尤其是靠近内壁处沿晶断裂特征显著,在晶界处存在大量二次裂纹,沿晶开裂晶粒表面存在类似鸡爪纹的白色纹路[见图3a)],随着裂纹由内壁向外壁扩展,沿晶断裂面积比例逐渐减少,靠近外壁处,断口表面呈半沿晶半穿晶脆性断裂特征[见图3c)]。

图3 裂纹2断口表面的SEM形貌

截取裂纹2附近弯管段与直管段的横截面,制备试样,将试样镶嵌、磨抛后,观察其SEM形貌,结果如图4所示。由图4可知:无论弯管段还是直管段,内壁的部分位置均存在深度为20～50 μm的不规则孔坑,还存在一层沿内壁及孔坑周围分布、厚度约为5 μm的氧化圆点聚集带;而管外壁的氧化圆点数量大大降低,密度远少于内壁且不再呈连续带状分布,孔坑密度也明显降低;在直管段内壁附近发现疏松缺陷。

图4 弯管段与直管段横截面SEM形貌

对试样内、外壁附近氧化圆点进行能谱分析,结果如图5和表3所示。由表3可知:试样内、外壁氧化皮成分均为铁的氧化物,氧化圆点中亲氧元素(Cr、Mn、V等)的质量分数较高。研究发现,将钢加热到1 100 ℃、保温30 min以上时,氧元素沿晶界扩散到钢中,与钢中Mn、Cr等元素结合,生成氧化物圆点[6]。可知钢管内壁的缺陷比氧化圆点先出现,且该缺陷在高温热处理阶段就已经产生,即钢坯中的原始缺陷是经穿孔轧制遗传下来的[7-8]。

图5 内壁氧化圆点能谱分析位置

表3 内壁氧化圆点成分分析结果 %

1.6 金相检验

裂纹附近弯管段与直管段显微组织形貌如图6所示。由图6可知:裂纹附近弯管部分与直管部分的显微组织均为铁素体+珠光体+少量贝氏体,晶粒度为7级。裂纹处与裂纹附近表面的脱碳层深度一致,外壁和内壁完全脱碳层深度分别为50 μm和300 μm,直管外壁和内壁完全脱碳层深度分别为60 μm和270 μm。除裂纹内壁附近脱碳层深度接近标准值外,其余位置均符合GB/T 5310—2017标准对完全脱碳层深度的要求。

图6 裂纹附近弯管段及直管段显微组织形貌

2 综合分析

由以上分析可知,12Cr1MoV钢管断裂处没有明显减薄和变形。除氢气含量较高外,其化学成分、组织及脱碳层深度均满足GB/T 5310—2017对12Cr1MoVG钢的要求。对裂纹表面形貌观察可以发现,外壁观察到的7条细裂纹均在弯管段,弯管内壁内弧侧存在更多的细小裂纹。整个断口表面均呈沿晶脆性断裂特征。对断裂管进行硬度测试结果表明,直管段硬度符合标准要求,弯管段硬度超出标准要求,为形变硬化和残余应力所致。

由于锅炉气中的氢气浓度超标,氢分子吸附于钢管表面,并分解为氢原子,氢原子溶解并扩散至管壁内部[9],最终富集于管壁的孔坑、微裂纹以及氧化圆点等原始缺陷处[10]。氢原子在缺陷处结合成氢分子并产生氢压,同时氢的渗入使晶界结合力大大降低,材料的塑性和韧性下降[11]。钢管弯管时的冷加工使弯管段存在较大的残余应力,当缺陷处富集的氢含量达到临界值时,在弯管内壁内弧侧残余拉应力的复合作用下,缺陷处首先发生氢致脆性开裂[12]。

钢管开裂的主要原因为氢气含量超标,以及钢管内、外壁的缺陷加速了氢致裂纹的产生。通过观察钢管纵截面,可以发现存在裂纹的弯管和无裂纹的直管管壁均存在大量孔坑、微裂纹以及氧化圆点等缺陷,并且内壁上缺陷密度远高于外壁。这些缺陷为氢陷阱,富集了氢原子,成为氢致开裂的裂纹源[13-15]。开裂发生后,管内流通的高温、高压水蒸气对裂纹处持续进行氧腐蚀,进一步促进了裂纹扩展。当开裂部分管壁临近穿孔厚度时,管内气体冲出,形成断口表面的气道与钢管外壁的发散状沟槽。

3 结论

综上所述,12Cr1MoV钢过热器管开裂是由于管坯本身存在疏松、气孔等缺陷,经穿孔轧制后,这些缺陷遗传至钢管内壁处,形成孔坑、微裂纹等缺陷。锅炉气中的氢扩散进入管壁内,并在缺陷处富集,并与弯管段的残余应力产生耦合作用,优先发生氢致应力开裂。