弯管开裂原因分析.doc

热再热管道钢管中频弯制后开裂情况及原因分析徐大伟1 孙强1 李颜戈2 吴非文31.大唐集团公司-中国水利电力物资有限公司，北京 100045；2.深圳建业建筑工程有限公司，广东深圳，5180403.西安热工研究院，西安 710032 摘要：某300MW热电机组热再热管道4支钢管在中频弯制中出现横向开裂，通过对成分、组织性能和在现场进行宏观检验，基本判定开裂原因是由于热轧参数不正确或坯料加热不良等原因在热轧中产生折叠，而所产生折叠在后续的外表机加工工序中未被充分去除所致。关键词热再热管道；中频弯管；裂纹；折叠1.情况某热电2300MW火电机组再热热段蒸汽管道钢管，在中频弯制时出现横向开裂。已弯成的四支钢管中有两支每支有两处共四处开裂。按管道配管图纸这四支钢管依次编号为2HR-1、2HR-3、2HR-4和2HR-6，开裂的钢管为2HR-1和2HR-6。经测量，开裂处形成的裂纹长度为30-40mm，其深度，按一处裂纹打磨后的测量值为约4-5mm。裂纹本身为断续弯曲形状，其方向基本上垂直于钢管轴向，属横向开裂裂纹。裂纹位置在弯管背弧外弯面上，距面中心线约1/4钢管直径高度处。按弯管弯曲角弧线距离，该四处裂纹分别处于离测量起点约3000mm、3710mm(2HR-1) 和2240mm、4690mm(2HR-6)的位置，依次分别相当于离起弯点弯管弯曲角约12-14、约30和约20、60角处。图1、2分别表示在管号2HR-6和2HR-1上的开裂裂纹，其中2HR-1经过打磨以消除裂纹后，表现为一条形深凹坑。除该两支钢管存在的上述横向开裂裂纹外，该四支弯管外表面尚存在有在不同位置上显示出来的多处外观上为凹坑的缺陷。具体如表1所示。表1 四支弯管除裂纹外其它外表面凹坑缺陷的数量和分布统计表弯管编号按外观的缺陷名称总数量(处)分布位置内/外弯面距内/外弯面中心线距离,mm离测量起点弧线距离,mm2HR-1凹坑2*外弯面两边各约1002780-32002HR-3凹坑15外弯面5处下904690-6530内弯面10处上902780-46202HR-4凹坑2外弯面1处下1001730内弯面1处上10020002HR-6凹坑11*外弯面5处下1002240-4690内弯面6处两边分布线对称，每边各3处3处：2270-42703处：2750-4370*裂纹与凹坑缺陷分布在钢管的外弯面同条轴线上。四支弯管外表面凹坑有多种形状，有块状、花块状(图3)等，分布特点明显，为基本上按钢管的各同条轴线上排列分布。开裂裂纹也位居其中，在排列分布上具有一定的规律性。该四支钢管为由V & M供货的P22内径管，用于管道的弯管的直管尺寸为：ID679.533mm；钢管定尺长度：7000mm。管道的直管尺寸为：ID679.530mm。钢管内径公差：+3.962mm/-0.000mm；钢管壁厚公差：+3.500mm/-0.000mm；。弯管弯曲半径R为3000mm(即R=4D)，均为90弯管。该四支弯管的各自所属的钢管炉号、配管设计中各弯管中性线展开长度、弯管弧长、实际弯曲角等如表2所示。表2 钢管炉号与弯管数据表弯管编号钢管炉号弯管特征数据中性线展开长，mm弯管弧长，mm实际弯曲角2HR-11916746822469889462HR-31916746773469889462HR-41916746827469889462HR-618935465674710902.原因分析2.1钢管的成分和组织性能调查开裂的弯管涉及两个炉号：191674(2003.9.9发出质保书) 和189354 (2002.12.12发出质保书) 。该两炉号钢管的钢管产品质保书内容表明钢管的成分和性能符合要求：钢管的成分和室温力学性能均符合ASTM A335标准对P22无缝钢管的要求。钢管的最终热处理为：正火加回火。正火：950，10分钟，空冷；回火：720，30分钟，空冷。钢管按SEP 1915/09.94规范进行了超声波探伤。合格。钢管经100%水压试验(120Bar，5秒) 。合格。钢管经100%压扁试验。合格。钢管经目视检验。合格。钢管金相组织为铁素体+回火贝氏体。晶粒度和晶粒度级差均符合要求，晶粒度细于4级，同一视场中晶粒度级差不大于2级。质保书中尚附有每一炉号钢管的放大100倍的金相组织照片。从照片上可看出，晶粒度为8-9级；晶粒度级差不大于2级。但是，在炉号为189354的钢管金相组织照片上可看出有折叠的缺陷的痕迹(图4)。2.2弯管工艺调查弯管采用中频感应弯管机,各关键参数如下：热弯温度：800850摄氏度;推速：2050 mm/min;冷却方式：空冷;弯后进行正回火热处理：950960度正火+730750度回火。以上弯管过程符合电站弯管的各项技术规范。 基于以上两项调查,初步认定弯管开裂可能起因于管材内部缺陷。2.3现场宏观检验现场宏观检验包括：外观检验。对2HR-1、2HR-3、2HR-4和2HR-6弯管作全面的外观检验，查清了外表面缺陷(包括裂纹) 的形状及位置。结果如上述及表1所示。弯管的炉号核对及缺陷处钢管的变形情况检验。炉号核对结果如表2所示。未发现表面凹坑缺陷处，其中尤其是开裂裂纹周围有明显的局部变形迹象，所有的缺陷表面及开裂裂纹的表面均为粗糙的结晶状断面，即均为脆性的无明显的变形的断口形貌。选区宏观及酸浸试验。对选出的2HR-6弯管上的开裂裂纹及其周围地区作宏观及酸浸试验。结果如图5所示。可看出，开裂裂纹在一个凹坑的底部产生，凹坑由缺陷的脱落而产生，坑表面不平整，呈结晶状断口。从外表面观察，开裂裂纹呈断续弯曲状，表面隐约可见为结晶状断口。两者均为脆性断口，无变形痕迹。凹坑周围经磨光和酸浸后，可见很多的放射状小裂纹。宏观检验结果表明，产生开裂裂纹处的凹坑和未产生开裂裂纹处的凹坑均由钢管表面的折叠缺陷在弯管时因受力脱落而产生。开裂裂纹的产生则是由于缺陷底部的应力集中所致。缺陷选区的复膜金相检验。对图5所示的凹坑边缘左上角微裂纹作复膜金相检验以进一步肯定缺陷的本质及产生原因。图6-8为该缺陷处的复膜金相照片。从复膜金相照片上可看出，无论是微裂纹端部还是中部，都显示出微裂纹内部充满了氧化物，微裂纹边上是脱碳层并有部分球形主要是铬的氧化物的特点。图9为2HR-6弯管外表面的微裂纹中部附近地区的金相组织，组织正常。这一切进一步证明了这些凹坑缺陷是原钢管在热轧中形成的外表面折叠。2.4原因分析宏观检验和复膜金相检验结果表明，产生开裂裂纹处的凹坑和未产生开裂裂纹处的凹坑实质上均为钢管表面原有的折叠缺陷。出现的开裂裂纹则是由于折叠缺陷底部的应力集中或缺陷深入壁厚所致。折叠是一种热轧无缝钢管由于热轧参数不正确或坯料加热不良等原因在热轧中产生的表面缺陷。折叠的方向有平行于外表面的或与外表面斜交而进入壁厚的。在钢管制成后，粗看折叠的部分似乎与母材结合很紧密，其实由于折叠内界面有一层加热时产生的氧化物，在弯管弯制的应力或其它的外力的作用下会裂开或脱落。在本项目的这种热轧后机加工的内径管中，折叠则由于热轧参数不正确或坯料加热不良等原因在热轧中产生，而又在后续的外表机加工工序中未被充分去除所致。弯管的缺陷处的变形情况检验表明，中频加热弯管的弯制过程不是产生该批钢管的开裂裂纹的原因。理由是：凹坑及凹坑底部开裂裂纹表面无明显的变形；不但弯管外弯面，而且内弯面均产生这种因折叠脱落而产生的凹坑。因而，中频加热弯管的弯制工艺是正确的。如钢管无这种折叠缺陷，这一中频加热弯管的弯制工艺不会在该批P22钢管上产生这种凹坑及凹坑底部的开裂裂纹。3.对该四支弯管的处理建议国内电力部门所采取的对有表面缺陷的弯管的一般可使用原则是：所发现的钢管表面的所有不允许存在的表面缺陷应打磨去除。要求打磨后的实测剩余壁厚不小于直管最小计算壁厚值，打磨区域需与钢管外表作圆滑过渡。折叠属于不允许存在的表面缺陷。为此建议：1. 2HR-1和2HR-6这两支弯管只能报废。设计院提出的该机组热再热蒸汽管道主管直管最小计算壁厚值为27.92mm。用于弯管的钢管最小壁厚值为33mm，外弯面弯曲减薄率为11.1%以及开裂裂纹深度为4-5mm等，即使钢管壁厚有约3mm的正公差，2HR-1和2HR-6两支弯管打磨后其实测剩余壁厚会达不到27.92mm的热再热蒸汽管道主管的直管最小计算壁厚值。2. 2HR-3和2HR-4弯管。打磨后按上述原则处理。4.结论4.1 用于某热电2300MW机组热再热蒸汽管道主管的2HR-1、2HR-3、2HR-4和2HR-6等四支弯管的ID679.533mm的P22内径管外表面存在有严重的不允许存在的表面缺陷折叠。这种缺陷的存在导致在弯管过程中这些的缺陷显露并在严重处产生开裂裂纹。这种折叠缺陷由于热轧参数不正确或坯料加热不良等原因在热轧中产生，并在后续的外表机加工工序中又未被充分去除所致。4.2 2HR-1和2HR-6弯管外弯面在磨去缺陷后不能保证其实测剩余壁厚达到设计院提出的27.92mm的热再热蒸汽管道主管的直管最小计算壁厚值，只能报废。图1 2HR-6弯管外表面的宏观缺陷及开裂裂纹图2 2HR-1弯管外表面磨去宏观缺陷及开裂裂纹所形成的条形磨坑图3 2HR-6弯管外表面上的花块状凹坑图4 炉号为189354的钢管(用于2HR-6弯管)金相组织照片(100)图5 2HR-6弯管外表面上的宏观缺陷及开裂裂纹（表面经抛光和酸浸）图6 2HR-6弯管外表面的微裂纹端部的金相照片(100)图7 2HR-6弯管外表面的微裂纹端部的金相照片(200)图8 2HR-6弯管外表面的微裂纹中部的金相照片(200)图9 2HR-6弯管外表面的微裂纹中部附近地区的金相组织照片(200)Subject : Cracking analysis on pipe bending of the hot reheat pipeKey words: Hot reheat steam pipe, Inductive bending, crack, lapAbstract: Surface defects have observed on outside surface of four hot reheat steam pipe bends, on the basis of the performed inspections and analysis ,conclusion have been made as follows :the defects observed on outside surface of the four pipe bends are laps which can be attri