(2.45)--金属构件失效分析.ppt

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1、电站锅炉联箱导汽管爆管失效分析电站锅炉联箱导汽管爆管失效分析某发电厂5#炉后屏出口联箱与二减联箱之间的导汽管北数第一根弯管处发生爆管。爆口距起弯点150mm，距二减联箱短管焊缝520mm。导汽管材质为12Cr1MoV 钢，规格为159mm x 12mm,累计运行136569h，爆管时负荷为205MPa，管壁温度514。该类导汽管一般设计寿命为1520 万h。爆管断口分析1导汽管成分、组织与性能分析2结论和建议3录目目爆管断口分析1录目目1.1宏观分析爆管形态，如图1所示。爆口位于导汽管弯头部位，从弯头的两侧近弯曲中缝处开裂，爆口长度620mm，最宽处240mm,爆口两端宽度分别为175mm和1

2、80mm。爆口周边无明显塑性变形，边缘粗糙，厚度为12mm 和1111.5mm。图图1 1 爆管形态爆管形态爆口的宏观开裂形态显示，断面内壁一侧齐平，与管壁垂直，断面粗糙;外壁一侧从裂口断面可以看到明显的最后爆裂时管壁由于撕裂形成的撕裂边(断裂时的剪切唇形态)，与管壁呈近45%，如图2所示。最后撕裂边的宽度在整个断口上分布很不均匀，最小的的部位只有约1.6mm。图图2 2 爆口断裂边断口形态爆口断裂边断口形态1.1宏观分析1.1宏观分析由此可以确定，裂纹起源于导汽管内壁，裂纹的形成部位为弯头的近中性则孤处，在导汽管弯头的两侧起裂，在管内水汽压力作用下，各自沿管壁壁厚方向和沿管壁轴向扩展。当裂纹

3、扩展到一定尺寸，剩余的管壁厚度不足以承受管内压力的作用，即形成爆管。在管壁断口上，可以观察到裂纹扩展时形成的层状形态。1.2微观分析将断口表面用稀盐酸+钝化剂清洗，在扫描电子显微镜下观察断口的微观形态(由于断口表面氧化比较严重，清洗后观察不如新鲜断口那么清楚，但其形态还是比较清晰)。断口表面微观形态表明，整个管壁断裂基本以微孔型韧性断裂为主，大多数区域的微孔小且分布不均匀，在断面上也可以观察到存在的空洞、裂纹和局部的小的解理面形态，如图3图5所示。图图3 3 断口表面微观形貌断口表面微观形貌1.2微观分析图图4 4 断裂面上的空洞和裂纹形态断裂面上的空洞和裂纹形态1.2微观分析图图5 5 断面

4、上的空洞结构和局部准解离形态断面上的空洞结构和局部准解离形态1.2微观分析1.2微观分析断口上的空洞有两种情况，一是许多空洞近乎连成串，在低倍下观察时，可见到类似裂纹的形态，在高倍下观察，可以看到一个一个的空洞及其空洞周边的变形和开裂情况以及其他的小的微孔(见图4);另一是单个较深较大的孔，在这些孔的周围，金属的断裂不同于其他部位，金属在这些地方以滑移变形为主，形成类似于解理断裂的微观形态(见图5)。从整个断面观察，在管壁内侧金属断口上的微裂纹、空洞数量要多于外侧，在外侧基本是微孔型断裂。导汽管成分、组织与性能分析2录目目导汽管成分、组织与性能分析为了进一步明确导汽管开裂的原因，在开裂的导汽管

5、及其相邻的北2管上取样，分别分析其微观金相组织和室温力学性能，取样部位说明如图6所示。试样编号与此相同，同时在北2管取样，分别为弯头凸侧和边侧，定为6、7,位置与2、3相同，在北2管直段取样，编号8。图图6 6 微观分析和力学性能取样部位示意图微观分析和力学性能取样部位示意图2.1导汽管材料成分与微观组织分析用化学分析方法分析法，导汽管材料的化学成分符合GBGB规定的12Cr1MoV钢的要求，见表1。表1 导气管化学成分（质量分数，）2.1导汽管材料成分与微观组织分析按常规制样方法制备金相试样，在Olympus 显微镜下观察各部位试样的组织形态，观察倍数到1200倍。导汽管各部位金相组织典型形

6、态如图7图9所示。图图7 7 爆口附近组织爆口附近组织2.1导汽管材料成分与微观组织分析图7所示组织为铁素体(F)和主要以沿晶分布的碳化物，尚可观察到很少量的原珠光体(P)区域形态，但已观察不到P。在F晶界上碳化物已聚集，且有蠕变空洞。从珠光体区城形态分析，该部位的珠光体球化应为45级，但考虑到铁素体晶界的碳化物聚集和螨变空洞的形成，应定为珠光体球化为5级。2.1导汽管材料成分与微观组织分析图8为爆口边缘的微观形貌特征。爆口边缘微观组织形态清晰，与管内组织形态相同，未发现脱碳、沿晶氧化现象。在爆口断面附近的部位，管内壁表面有平行于断面的小裂纹，形态如图8b所示。从其形态上看，有从表面形成的，多

7、数是在内部形成。结合图7中观察到的蠕变，可以确定这些裂纹基本上应是蠕变空洞连接形成的微裂纹。图图8 8 爆口边缘形态和断面附近爆口边缘形态和断面附近组织中的微裂纹形态组织中的微裂纹形态501002.1导汽管材料成分与微观组织分析组织中的铁素体晶粒粗大，珠光体(贝氏体)沿铁素体晶界形成，且分布不均，珠光体易于分解，碳化物聚集，在碳化物颗粒附近产生无沉淀区(带)，产生较大应力集中，蠕变空洞择优在这些部位形核，空洞连接即形成沿晶裂纹。蠕变裂纹沿晶扩展，最后导致导汽管开裂。爆管不同部位的金相组织分布极不均匀，有的部位的组织呈明显的带状组织，如图9所示。观察发现其带状程度管内壁侧较管外壁侧严重。图图9

8、9 带状组织（带状组织（100)100)2.2 导汽管材料温室拉伸性能在导汽管上取样，制成拉伸试样，测试其室温拉伸性能，测试结果列于表2。表表2 2 各部位试样拉伸性能测试结果各部位试样拉伸性能测试结果2.2 导汽管材料温室拉伸性能从实验结果来看，各段试样的强度均高于一般12Cr1MoV钢的性能要求(b不小于490MPa)。但相对比较，各段试样性能有较大差别。弯头处的强 度 低 于 直 线 段，最 大 差 别 达100MPa;向火侧的强度略低于侧面，但差别不大，只有几个MPa。材料强度的差别与前段组织分析的结果是相对应的。拉伸试样断口的微观典型形态，如图10、图11所示。图图10 110 1区

9、试样的拉伸断口形态区试样的拉伸断口形态1500120图图11 211 2区试样的拉伸断口形态区试样的拉伸断口形态2.2 导汽管材料温室拉伸性能从拉伸试样断口上可以看出，拉伸断裂形成的断口形态与爆口断面的形态类似(基本相同)，以微孔性韧性断裂为主。在断口上同样可以观察到空洞和微裂纹。与金相组织观察分析结果比较，我们可以知道这些空洞应该是组织中的蠕变空洞，微裂纹则是这些蠕变空洞连成串形成微裂纹在拉伸时扩展形成的。2.2 导汽管材料温室拉伸性能此次爆管分析的两根导汽管，组织为大块不均的铁素体和分散分布的珠光体(贝氏体)组织。所谓的珠光体区城组织为板条状的铁素体+碳化物，尤其在弯头附近，组织为铁素体+

10、细条状分布的珠光体，珠光体呈带状分布(见图9)。此类组织在一般分析时不容易判断其球化级别。由于细条状的珠光体区域球化后，在这些区域残留的是细小的条带状(板条状)铁素体，碳化物容易聚集和形成蠕变空洞。而这些细小的铁素体+碳化物区域往往易被看作珠光体区域。结论和建议3录目目结论和建议(1)此次导汽管爆管为长期过热脆性爆管。导汽管在长期运行过程中，组织发生了明显变化，钢中的珠光体已完全球化，形成碳化物。爆口附近的碳化物已经出现聚集，出现蠕变空洞，局部区域蠕变空洞已经连成串形成微裂纹。(2)爆口的开裂从管内壁开始，裂纹沿壁厚和轴向方向扩展，当扩展到一定程度(实测管壁一侧的最后瞬间断裂区只有约2.4mm)时，剩余管壁厚度不足以承受管内压力，裂纹迅速扩展，管壁瞬间开裂，形成爆管。结论和建议（3)此次爆管分析的两根导汽管，组织为大块不均的铁素体和分散分布的珠光体(贝氏体)组织。所谓的珠光体区域组织为板条状的铁素体+碳化物，尤其在弯头附近，组织为铁素体+细条状分布的珠光体，珠光体呈带状分布。对这类组织的12Cr1MoV钢的球化、蠕变过程研究较少，资料不多。但从现有的试验情况来看，此类组织形态的12Cr1MoV钢球化和出现蠕变空洞的温度和时间要低于正常的铁素体+珠光体(贝氏体)组织，尤其是呈带状分布严重的细条状珠光体(贝氏体)。建议加强对该批管子的监督检验。THANK YOU