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      電站鍋爐低溫再熱器蛇形管冷彎斷裂成因分析

      2020-09-10 07:22:44程?hào)|岳金碩孫旭東馬琳琳陳紀(jì)昌
      電焊機(jī) 2020年4期

      程?hào)|岳 金碩 孫旭東 馬琳琳 陳紀(jì)昌

      摘要:某電站鍋爐低溫再熱器規(guī)格是φ50.8 mm×4.0 mm,材料牌號(hào)SA213-T91。鋼管在冷彎塑性變形超過(guò)90°時(shí)連續(xù)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。通過(guò)進(jìn)行鋼管化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢測(cè)、金相和顯微硬度分析以及斷口形貌分析,確定冷彎斷裂成因。結(jié)果表明:SA213-T91內(nèi)表面碳含量偏高,造成鋼管內(nèi)表面硬度偏高,塑性急劇下降,導(dǎo)致冷彎時(shí)鋼管彎角以脆性解理方式開(kāi)裂。分析制造工藝發(fā)現(xiàn),由于模鑄坯制造時(shí)存在鑄造偏析,頭部未切凈,致使管坯心部增碳,從而使鋼管內(nèi)表面發(fā)生增碳現(xiàn)象。

      關(guān)鍵詞:蛇形管;冷彎斷裂;心部增碳

      中圖分類(lèi)號(hào):TG441.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1001-2303(2020)04-0100-03

      DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.17

      0 前言

      隨著電站鍋爐朝著大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展,制造工藝日趨復(fù)雜,所使用的材料要求也越高[1-2]。某超超臨界電站鍋爐低溫再熱器規(guī)格為φ50.8 mm×4.0 mm的SA213-T91鋼管,在冷彎塑性變形超過(guò)90°時(shí)連續(xù)發(fā)生多起彎管斷裂,蛇形管冷彎加工示意如圖1所示,鋼管冷彎時(shí),在彎角內(nèi)側(cè)形成壓應(yīng)力塑性變形區(qū),外側(cè)形成拉應(yīng)力塑性變形區(qū)。為了明確彎管斷裂原因,對(duì)鋼管進(jìn)行了檢驗(yàn)與分析。

      1 理化檢驗(yàn)

      1.1 化學(xué)成分

      在冷彎斷裂的鋼管上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表1,可見(jiàn)各元素含量均符合ASME SA213-2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SA213-T91鋼化學(xué)成分的技術(shù)要求。

      1.2 力學(xué)性能

      在發(fā)生斷裂的鋼管一端截取2個(gè)壓扁試樣,在閉合壓扁試驗(yàn)時(shí),3點(diǎn)及6點(diǎn)位置內(nèi)壁發(fā)生了開(kāi)裂現(xiàn)象。在3點(diǎn)及6點(diǎn)位置截取縱向拉伸試樣2個(gè),分別進(jìn)行室溫下的常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。由表2可知,冷彎斷裂的鋼管屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度滿足ASME SA213-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,但斷后伸長(zhǎng)率較低,塑性較差,明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

      1.3 金相檢驗(yàn)

      在鋼管斷口附近取橫向截面金相試樣,經(jīng)磨制和化學(xué)侵蝕后在光學(xué)顯微鏡下分別觀察鋼管外壁、中間層和內(nèi)壁的顯微組織,如圖2所示。

      由圖2可知,鋼管外部和中部基體組織為正常的回火馬氏體,晶粒度為8~9級(jí);鋼管內(nèi)壁為回火馬氏體組織,但碳含量偏高,碳化物長(zhǎng)度約占鋼管截面周長(zhǎng)的20%。分別測(cè)試鋼管外壁、中間層和內(nèi)壁的顯微組織維氏顯微硬度,每個(gè)區(qū)域測(cè)量3次,結(jié)果取平均值。鋼管外壁、中間層和內(nèi)壁的硬度分別為214 HV、221 HV、255 HV,可見(jiàn)內(nèi)外壁硬度相差較大,內(nèi)壁碳化物較多處硬度最高,接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值。

      1.4 宏觀和微觀斷口形貌分析

      鋼管斷裂區(qū)的斷口形貌如圖3所示。可以看出,斷面平直,嚙合性好,無(wú)明顯斷面收縮,是脆性斷裂的典型形貌。斷口主要由放射區(qū)和剪切唇區(qū)構(gòu)成。內(nèi)表面主要是放射區(qū),外表面斷口形貌是剪切唇區(qū)。裂紋優(yōu)先萌生于管道內(nèi)表面,沿放射區(qū)向外表面急劇擴(kuò)展。斷口掃描電鏡微觀形貌如圖4所示,解理臺(tái)階的尺寸約為10 μm,有些含有放射狀形貌。說(shuō)明裂紋在斷口上擴(kuò)展速度極快,符合塑性斷裂的典型特征。

      2 分析與討論

      綜合以上理化檢驗(yàn)結(jié)果分析表明,鋼管屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,但斷后伸長(zhǎng)率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求,可塑性較差。在鋼管冷彎時(shí),內(nèi)、外壁受力狀態(tài)不同,鋼管外側(cè)的內(nèi)壁組織受到擠壓變形,由于內(nèi)壁增碳嚴(yán)重且硬度最高,塑性急劇下降,鋼管最終發(fā)生脆性解理斷裂[3-4]。

      由于SA213-T91鋼管中部及外表面的硬度及金相組織正常,說(shuō)明鋼管最終熱處理正常。根據(jù)鋼管制造工藝分析,內(nèi)壁產(chǎn)生增碳的可能性?xún)H為管坯心部增碳遺留,而管坯心部增碳的來(lái)源為模鑄坯在制造時(shí)頭部未切凈導(dǎo)致[5]。

      3 結(jié)論

      P91在鋼管成型過(guò)程中,應(yīng)控制內(nèi)表面的碳含量。本文中材料彎曲開(kāi)裂主要是由于模鑄坯在制造時(shí)頭部未切凈導(dǎo)致內(nèi)壁碳含量的增高,彎曲時(shí)受拉伸應(yīng)力的影響,導(dǎo)致基體內(nèi)部開(kāi)裂。

      參考文獻(xiàn):

      [1] 束國(guó)剛. T/P91鋼國(guó)產(chǎn)化工藝組織和性能改進(jìn)的研究與應(yīng)用[D]. 湖北:武漢大學(xué),2004.

      [2] 韓佳泉,那宇齡,常鳳華,等. T91鋼的研究現(xiàn)狀及焊接[J]. 黑龍江電力技術(shù),1999(3):23-25.

      [3] 鄭準(zhǔn)備,張兵,王小迎. P91鋼的性能與組織結(jié)構(gòu)研究[J].熱加工工藝,2008,31(24):57-58.

      [4] 李志翔,李曉平,趙永強(qiáng). 火力發(fā)電廠新材料T91/P91鋼性能綜述[J]. 云南電力技術(shù),2004(1):17-19.

      [5] 孫彪. T/P91鋼馬氏體強(qiáng)化機(jī)理研究[D]. 陜西:西安工業(yè)大學(xué),2015.

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