江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院 江苏泰州 225300
摘要：本文是对材质为12Cr1MoV的过热器管在长期超温情况引起的蠕变断裂进行失效分析，进而提出生产使用过程中的预防措施。
关键词：高温损伤 金相分析 硬度
一、前 言
某热电厂6号炉高温过热器88年投入使用，服役96，000hr，于2002年8月第2排从前往后数第6根过热器管发生爆管。该过热器管材料为12Cr1MoV，尺寸为φ42×5，工作压力大约9.8MPa，烟气温度800℃～900℃，过热蒸汽温度为500℃左右。为了研究高温过热器管开裂的原因，针对过热器管进行金相检验、断口分析和机械性能试验，研究分析致使过热器管爆管的原因，为今后的使用管理提供指导。
二、宏观观察与金相分析
对所送的开裂高温过热器管进行观察，该管为厚壁管，断裂的方向为与轴线平行的纵向开裂（如图1所示），开裂处有明显的塑性变形，变形特征为鼓胀。
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图1 过热器爆管的形貌
为了研究开裂部位的微观组织状况，金相分析位置取爆管处裂纹尖端部位（如图1所示），在过热器管的截面上一侧的裂纹已穿通管壁，另一侧的裂纹没有贯穿壁厚。图2是裂纹未贯穿壁厚部位外壁的组织状况，由此可见，裂纹从
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图2 过热器管裂纹未穿透的形貌（外壁，500X）
外壁启裂，向内壁扩展。仔细对裂纹观察，放大后的裂尖形貌表明存在蠕变孔洞和微裂纹，裂纹的启裂和扩展与材料的孔洞和微裂纹有关。裂尖附近的微观组织状态为铁素体和已严重球化的贝氏体。对该部位壁厚中部的微观组织观察，同样表现出铁素体和已严重球化的贝氏体特征。
对已贯穿壁厚的部位进行观察，可以清晰可见主裂纹附近存在许多蠕变孔洞。靠近外壁的主裂纹放大之后，清楚表明裂纹是有蠕变孔洞串集成微裂纹，再扩展成宏观裂纹。主裂纹部位壁厚中部的微观组织为铁素体和已严重球化的贝氏体，表明材料经过长时间服役后已有相当的高温损伤。
对开裂部位对面的管壁进行金相分析，从外壁到内壁观察，均表现出铁素体和碳化物沿晶界析出，贝氏体形态消失。内壁组织和外壁组织比较可知，外壁组织中析出的碳化物变得粗大，而内壁组织中碳化物细小，那么外壁的损伤较内壁严重，与外壁启裂相吻合。
为了检验高温过热器其它部位的微观组织状况，热电厂提供了两处具有表面氧化的过热器管，分别从横截面上截取金相分析试样，对在A、B、C和D四个部位进行金相分析。
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图3 金相分析部位
已穿通的过热器管上A部位的微观组织，a、b和c分别代表管壁的内壁、中心和外壁部位。由图可知，内壁和中心部位的组织状况为铁素体和弥散析出的碳化物，珠光体已中度球化，而外壁的组织表现出珠光体形态消失，已完全球化。外壁组织的损伤较内壁严重。
已穿通的过热器管上B部位的微观组织，a、b和c同样代表管壁的内壁、中心和外壁部位。内壁和中心部位的组织已严重球化，珠光体内均是析出的碳化物，而外壁组织的珠光体形貌消失，完全球化。同样是外壁组织的损伤较内壁严重。
已穿通的过热器管上C和D部位的微观组织，a、b和c同样代表管壁的内壁、中心和外壁部位。这两个部位从内壁到外壁均呈现珠光体形貌消失，完全球化。C和D部位的组织损伤比A和B部位严重，说明C和D部位受热更为严重。
一根较短的过热器管上A部位的微观组织，a、b和c分别代表管壁的内壁、中心和外壁部位。由图可知，内壁和中心部位的组织状况为铁素体和少量析出的碳化物，珠光体已中度球化，而外壁的组织呈现碳化物在晶内和晶界上析出，珠光体严重球化。外壁组织的损伤较内壁严重。
一根较短的过热器管上B部位的微观组织，a、b和c同样代表管壁的内壁、中心和外壁部位。内壁和中心部位的组织状况为晶内和晶界上碳化物析出，而外壁组织的珠光体形貌基本消失，呈现严重球化。同样是外壁组织的损伤较内壁严重。
较短的过热器管上C和D部位的微观组织，a、b和c同样代表管壁的内壁、中心和外壁部位。这两个部位从中心部位到外壁均呈现珠光体形貌消失，完全球化，只是D部位的内壁组织为碳化物在晶内和晶界析出，珠光体中度球化。比较而言，C和D部位的组织损伤比A和B部位严重，说明C和D部位受热更为严重。
c 外壁组织（500X） 图4
三、硬度测量
基于金相的分析，在含裂纹的管壁和裂纹对面的管壁上进行布氏硬度测量，测量结果见表1。由表1可以看出，裂纹部位的过热器管材料硬度低于裂纹对面的管壁硬度，表明开裂部位组织受热影响而引起的材料劣化较为严重，强度降低而容易启裂。
表1 过热器管裂纹和无裂纹部位的HRB硬度值
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四、断口分析
高温过热器管的破裂部位有一定程度的鼓胀，壁厚没有明显的减薄，宏观上表现出脆性断裂特性。从破裂处取断口分析样，在扫描电镜下进行观察，图5为断口上存在许多微观孔洞，这些孔洞主要位于晶界上，同时断面上表现出韧窝的特征。局部放大观察可知断口表面比较粗糙，既有孔洞，又有韧窝，而且有的韧窝下还有孔洞和微裂纹。由此可以确定高温过热器发生的断裂是长期超温情况引起的蠕变断裂，即长期过热爆管。
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图5断口上的韧窝和孔洞（SEM）
五、结 论
根据以上的分析，高温过热器管在没有发生断裂的部位，材料的微观组织是铁素体和在晶界和晶内析出的碳化物，珠光体中度球化，外壁组织的损伤较内壁严重，而且向火侧的组织受热影响严重；在发生处于断裂的过热器管上，珠光体球化严重，特别是管外壁的组织珠光体完全球化，存在蠕变孔洞，经硬度测量表明材料高温强度降低。过热器管破口处有一定程度的蠕胀变形，壁厚没有明显的减簿，断口粗糙，存在蠕变孔洞，综合而言，高温过热器管爆管是长时间超温引起的蠕变脆性断裂，超温的温度非常之高。
建议对服役近10万小时的高温过热器管加强检测，及时掌握材料的组织状况。另一方面，注意不要超温运行。