12Cr1MoV鋼主蒸汽管道失效分析

許明明 齊喜岑 王釗(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院蘇州分院，江蘇蘇州 215000)

12Cr1MoV鋼主蒸汽管道失效分析

許明明 齊喜岑 王釗(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院蘇州分院，江蘇蘇州 215000)

12Cr1MoV鋼是一種低碳低合金耐熱鋼，具有制造成本低、抗氧化性、高溫韌性等優(yōu)點，在電站鍋爐制造方面具有廣泛的應(yīng)用。某電站鍋爐的主蒸汽管道彎頭部位發(fā)現(xiàn)多處裂紋，本文通過金相檢測、力學(xué)性能試驗、化學(xué)成分分析、硬度檢測等手段，對其產(chǎn)生裂紋的原因進行分析探討。結(jié)果表明：管道出廠未進行回火處理或熱處理參數(shù)不合理和彎頭在加工過程中產(chǎn)生加工硬化未進行消應(yīng)力處理是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

裂紋；貝氏體；加工硬化

12Cr1MoV鋼是一種低碳低合金耐熱鋼，具有制造成本低、良好的抗氧化性及高溫強韌性等優(yōu)點，與12CrMoV鋼相比，12Cr1MoV具有更高的抗氧化性及熱強性，蠕變極限與持久強度值很接近，同時在持久拉伸的情況下具有高的塑性，被廣泛應(yīng)用于電站鍋爐的過熱器及主蒸汽管道[1]。近日，在某電站鍋爐的主蒸汽管道彎頭部位發(fā)現(xiàn)多處裂紋，本文通過金相檢測、力學(xué)性能試驗、化學(xué)分析、硬度檢測等手段，對其產(chǎn)生裂紋的原因進行分析探討。

1 裂紋部位

該電站鍋爐的主蒸汽管道材質(zhì)為12Cr1MoV鋼，一般情況，12Cr1MoV鋼的供貨狀態(tài)為正火+回火，化學(xué)成分[2]（質(zhì)量分數(shù)，%）為：0.08～0.15C，0.40～0.70Mn，0.17～0.37Si，0.90～1.20Cr, 0.25～0.35Mo，0.15～0.30V，≤0.035S，≤0.035P。但該主蒸汽管道由于資料缺失，供貨狀態(tài)不明。產(chǎn)生裂紋的彎頭為主蒸汽管道的第一個彎頭，如圖1所示。經(jīng)磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)4條表面裂紋，最長約30mm，打磨深度至壁厚三分之一處，未消除。

圖1 彎頭宏觀

2 試驗方法及結(jié)果

2.1 化學(xué)成分

由于主蒸汽管道的供貨狀態(tài)不明，首先通過化學(xué)分析的方法確定其化學(xué)成分，如下表所示：

表1 主蒸汽管道的化學(xué)成分

由表1可知，該主蒸汽管道材質(zhì)確定為12Cr1MoV，且各項化學(xué)成分并無異常，均在標準范圍之內(nèi)。

2.2 顯微組織及硬度

對管道材質(zhì)取樣進行光學(xué)顯微組織分析，如圖2所示。將彎頭上的金屬氧化物打磨干凈露出金屬光澤后，取三點進行硬度檢測，表明硬度值在330～340HB之間。根據(jù)DL/T438-2009，電廠用12Cr1MoV鋼的硬度值在135～179HB之間，顯然該管道材質(zhì)硬度嚴重超標。

圖2 主蒸汽管道顯微組織

圖2表明，該管道材質(zhì)顯微組織呈羽毛狀，并在各板條間分布著沿板條長軸方向排列的碳化物短棒或小片，為上貝氏體+少量晶界碳化物。通常12Cr1MoV鋼在正火加高溫回火態(tài)使用，其顯微組織為先共析鐵素體加珠光體[3]。550～350℃范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為上貝氏體，金相組織呈羽毛狀，脆性，硬度較高。500倍光學(xué)顯微鏡下基本能夠識別清楚。上貝氏體多呈羽毛狀特征，光鏡下分辨不清楚鐵素體與滲碳體兩相，滲碳體分布在鐵素體條之間，碳含量低時，碳化物沿條間呈不連續(xù)的粒狀或鏈珠狀分布，碳含量高時，碳化物呈桿狀甚至連續(xù)狀分布。電鏡下條狀鐵素體大致平行，鐵素體條間分布與鐵素體軸相平行的細條狀滲碳體，鐵素體條內(nèi)有較高的位錯密度，為一束大致平行的自奧氏體晶界長入奧氏體晶內(nèi)的鐵素體。

2.3 拉伸及彎曲試驗

分別取樣對該管道材質(zhì)進行拉伸及彎曲試驗，表明其抗拉強度為1053Mpa，無明顯屈服點，斷后伸長率為18.5%，180°彎曲試驗，無可見裂紋。

3 綜合分析

綜上可知，該主蒸汽管道材質(zhì)化學(xué)成分并無異常，但顯微組織卻為上貝氏體+少量晶界碳化物，硬度嚴重超標。貝氏體是過冷奧氏體的中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，它以貝氏體鐵素體為基體、同時可能存在滲碳體、碳化物、殘余奧氏體等相組成的整合組織。上貝氏體形成溫度較高，鐵素體晶粒和碳化物較粗大，這種組織狀態(tài)使鐵素體條間易產(chǎn)生脆斷，鐵素體條本身也可能成為裂紋擴展的路徑。正火加高溫回火態(tài)的12Cr1MoV鋼，顯微組織為先共析鐵素體加珠光體。因此可以推斷，該管道材質(zhì)供貨態(tài)并非正火加高溫回火或高溫回火工藝參數(shù)不合理導(dǎo)致產(chǎn)生了過多的貝氏體。同時，也應(yīng)考慮到，上貝氏體本身硬度低，而且沖擊韌性較差，而此彎頭硬度卻在330～340HB之間，因此并非供貨態(tài)的原因造成其硬度超標。

該主蒸汽管道材質(zhì)抗拉強度為1053Mpa，無明顯屈服點，斷后伸長率為18.5%。正常情況下，12Cr1MoV鋼的抗拉強度為440Mpa，屈服強度245 Mpa，考慮到上貝氏體+少量晶界碳化物的組織并不可能具有如此高的抗拉強度，因此應(yīng)當為彎頭在加工過程中產(chǎn)生的加工硬化所致。彎頭在塑性變形的過程中，金屬的機械性能也產(chǎn)生明顯的變化，隨著變形程度的增加，其強度和硬度增加。彎頭在塑性變形后，并未經(jīng)過合理的局部熱處理，導(dǎo)致殘余應(yīng)力大幅增加，在使用過程中就導(dǎo)致母材撕裂，產(chǎn)生裂紋來釋放應(yīng)力。

4 結(jié)語

綜上所述，該主蒸汽管道彎頭產(chǎn)生裂紋的影響因素有以下幾個方面：

（1）管道出廠未進行回火處理或熱處理參數(shù)不合理，導(dǎo)致供貨態(tài)組織為上貝氏體+少量晶界碳化物，塑韌性較差。

（2）管道彎頭在加工過程中產(chǎn)生加工硬化，未經(jīng)過合理的局部熱處理，導(dǎo)致殘余應(yīng)力大幅增加，在使用過程中就導(dǎo)致母材撕裂，產(chǎn)生裂紋。

[1]陳秋龍,楊安靜等.12Cr1MoV鋼中的粒狀貝氏體組織與高溫性能[J].金屬熱處理學(xué)報,1996(6).

[2]閆候霞,劉曉明.12Cr1MoV水冷壁管失效后組織及硬度轉(zhuǎn)變分析

[3]李智麗,韓鳳英.高壓過熱蒸汽管道失效分析[J].電子顯微學(xué)報，2001（04）

許明明（1967-），男，漢，江蘇蘇州，江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院蘇州分院、工程師，本科，研究方向：特種設(shè)備檢驗檢測及失效分析。