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电站低合金耐热钢蒸汽管道断裂微观特征分析
张艳红
(辽宁电力科学研究院，辽宁沈阳 110006)
摘
要：对不同程度蠕变损伤的几种低合金耐热钢蒸汽管道进行大量的金相及扫描电镜检验，对蠕变孔洞的本质有了新的认识，对检验蠕变孔洞须采取特殊金相制样方法给予肯定，提出了电站低合金耐热钢蠕变断裂发展过程模型。
关键词：低合金耐热钢；蒸汽管道；蠕变
火力发电厂高温高压金属部件经长期运行后会发生蠕变失效。近年来，仅东北地区就发生4次主蒸汽管道弯管蠕变失效事故，其中有3次是弯管在运行中爆裂，1次是在检修中及时发现。如何掌握蠕变断裂初期的微观特征，采取有效的检验方法及时查出部件蠕变损伤程度，对保证机组安全、经济运行意义重大。
本文通过对辽宁发电厂(15CrMo钢)、吉林热电厂(12CrMo钢)及阜新发电厂(12Cr1MoV钢)3种发生蠕变开裂的主蒸汽管道弯管进行大量的金相试验分析及扫描电镜试验分析，提出了蠕变孔洞的实质和蠕变断裂发展过程模型。
1
蠕变失效试样光学金相试验及分析
对发生蠕变开裂的几种低合金耐热钢主蒸汽管道弯管进行大量的金相试验后，发现如下规律。
a.蠕变损伤严重的试样按常规金相方法制样，组织清晰，无孔洞。
b.上述试样经多次抛光腐蚀后，孔洞将逐渐显示出来；一般抛光腐蚀1～2次，组织清晰，无孔洞；抛光腐蚀3～4次，孔洞将逐渐显示出来；抛光腐蚀5}6次，孔洞充分显示。当孔洞充分显示之后，再进行下一次抛光腐蚀，只要方法得当，孔洞数量及尺寸均不明显增加。
c.多次抛光腐蚀显示的孔洞形状不规则，孔洞形状与碳化物相似，孔洞尺寸大于碳化物尺寸。
d.孔洞主要沿弯管轴向及径向晶界及三角晶界分布，即在与弯管最大周向应力垂直方向的晶界上分布。
e.从弯管的外弧到内弧，从外壁到内壁，弯管不同部位孔洞密度不同，弯管各部位孔洞密度刚好与该部位应力大小相对应，应力大的部位孔洞多，应力小的部位孔洞少，甚至无孔洞。弯管横截面各部位蠕变损伤程度刚好与按有限元法计算的弯管横截面应力分布结果相吻合。
f.应力小的部位或新试样，无论抛光腐蚀多少次，均无孔洞。
从以上a、b、c三点光学金相方法检验蠕变损伤的结果，认为多次抛光腐蚀法显示的孔洞可能是试样表面晶界上碳化物被剥离掉后的痕迹。从d、e、f三条光学金相方法检验蠕变损伤的结果可知，多次抛光腐蚀显示的孔洞，不是假象，它能有效的反映部件的蠕变损伤程度。孔洞的密度、大小、方向就代表着部件的蠕变损伤程度。
2
扫描电镜分析
对蠕变损伤严重的试样按常规金相方法制样后，在光学显微镜下观察，组织清晰但无孔洞；在扫描电子显微镜下观察，其特征为晶界上主要是碳化物分布，很少见孔洞，但有的碳化物边界有明显的开裂，见图1。
对蠕变损伤严重的试样按检验孔洞方法制样后，在光学显微镜下观察孔洞沿晶界分布，在扫描电子显微镜下观察，其特征为晶界上分布有大量的孔洞，而碳化物较少，孔洞形状无规则，孔洞形状与碳化物形状相似，见图2。
(a) (b)
图1
12Cr1MoV钢蠕变失效试样按常规金相方法制样后图像特征
(a)光学金相照片(500×)；(b)扫描二次电子图像照片
(a) (b)
图2
15CrMo钢蠕变失效试样按孔洞检验方法制样后图像特征
(a)光学金相照片(500×)；(b)扫描二次电子图像照片
蠕变损伤严重试样的扫描电镜检验结果更进一步证实了多次抛光腐蚀显示的孔洞其实是试样表面碳化物被剥落掉后的痕迹。
3
低合金耐热钢蠕变沿晶断裂过程分析
目前，普遍被认同的蠕变沿晶断裂过程发展模型为：①孔洞优先于横向晶界上形核；②孤立孔洞长大；③分散的空洞沿横向晶界相互连接形成横向裂纹段；④横向裂纹段相互联接成“曲折裂纹”；⑤曲折裂纹进一步连接直至断裂。
从几种低合金耐热钢蠕变失效试样的金相及扫描电镜试验结果可知，蠕变失效试样按常规金相方法制样后在光学显微镜上观察，组织清晰，晶界上分布有大量的碳化物，沿晶界无孔洞分布，沿晶界上的碳化物边界亦无孔洞分布，见图1
(a)。将该试样经过适当(抛光腐蚀2至3次)处理后，在光学显微镜下未见孔洞，但在扫描电镜下可见晶界上碳化物与基体有微裂，见图1
(b)。再将该试样按检验孔洞方法制样后，在光学显微镜下可见孔洞沿晶界分布，见图2
(a)。在扫描电镜下观察，晶界上主要是孔洞，碳化物很少，孔洞形状不规则，孔洞形状与碳化物形状相似，尺寸稍大于碳化物尺寸，如图2
(b)。这些都表明低合金耐热钢蠕变断裂初期，其微观组织晶界上很少有单纯的孔洞，有的只是晶界上沿碳化物边界的损伤。这种损伤用常规金相方法很难发现，只有通过特殊制样方法(检验孔洞方法)在光学显微镜下才能看到“孔洞”沿晶界分布，该孔洞实际上是试样表面已经弱化(或开裂)的碳化物边界经腐蚀而使碳化物剥落后的痕迹，并非蠕变断裂理论中所述的空洞。因此提出如下的电站低合金耐热钢蒸汽管道蠕变断裂过程模型。
电站低合金耐热钢蒸汽管道蠕变断裂过程模型包括4个部分：①在应力及温度的长期作用下，位错或空位在与应力垂直的晶界上聚集或晶界滑动受阻产生应力集中使基体晶界结合力减弱，由于晶界界面上的粒子，如碳化物、夹杂物、三角点等处易出现应力集中，所以晶界上的碳化物边界较晶界弱化更严重；②晶界上碳化物边界进一步弱化，最终使碳化物与基体脱离形成所谓的沿晶蠕变“孔洞”(孔洞中包络着与基体基本剥离的碳化物)；③该“孔洞”在应力的作用下，不断长大并沿着已经弱化的晶界相互连接形成晶间微裂；④晶间微裂长大并相互连接形成宏观裂纹直至断裂。
4 结论
a.电站低合金耐热钢蒸汽管道蠕变断裂初期，金属组织结构中并无单纯的蠕变孔洞，有的只是晶界及沿晶界上碳化物边界的损伤。
b.蠕变失效试样按常规金相方法制样，很难发现孔洞，只有通过特殊处理(多次抛光腐蚀)才能发现孔洞沿晶界分布。多次抛光腐蚀显示的孔洞主要是边界已经弱化的碳化物剥落后的痕迹，并非蠕变断裂理论中所述的空洞。
c.多次抛光腐蚀法是检验部件蠕变损伤的有效手段，它能真实地反映部件的蠕变损伤程度。
d.电站低合金耐热钢蒸汽管道蠕变沿晶断裂发展过程模型为：晶界及沿晶界碳化物边界弱化；碳化物边界进一步弱化使碳化物与基体脱离形成“孔洞”；单个“孔洞”长大并沿着已经弱化的晶界相互连接形成晶间断裂；晶间微裂纹长大并相互连接直至最终发生沿晶断裂。
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