【摘要】本文作者通过对某电厂500MW锅炉水冷壁辐射过热器管弯头进行抽样检查分析，明确了弯头开裂主要是由于在循环加热过程中变形约束引发的热疲劳开裂，弯头管子截面椭圆化对热疲劳裂纹具有促进作用。作者在总结原因的基础上对改善过热器管弯头热疲劳抗力提出建议，具有一定的现实意义。
【关键词】辐射过热器管；弯头；热疲劳抗力
1、前言
本文作者对某电厂500MW锅炉水冷壁辐射过热器管弯头进行全面检测，用以判断弯头开裂的性质、原因及机理。该锅炉是从英国引进的产品，锅炉整体全部采用钢结构，单炉膛的布置方式均采用半搭式。由于该锅炉启用于1993年，而且自投产以来过热器弯头处多次发生过泄露事故，为了避免此类事故的再次发生，本文作者特对其进行详细的检查及分析，找到弯头开裂的原因，提出防范措施，具有一定的现实意义。
2、宏观检查分析
被检查的过热器管弯头取自于该电厂500MW锅炉，该弯头管子表面已明显出现裂纹但被切割下来时尚未泄露。本文作者共对两个过热器管弯头进行分析，表1为样品的编号及尺寸、表2为样品的化学成分。
表l 试验样品弯头编号及宏观特征 mm
编号管径弯头内径弯头外径壁厚约束分析
φDdδ
131711296.0-6.6无加强板
23125-30916.2有加强板
表2 弯头材料的化学成分 %
CSiMnSPMo
0.160.320.680.0120.0130.3
从上表可以看出，弯头1和弯头2内侧表面均有不同程度的氧化，弯头表面被灰色氧化物覆盖，表面多裂痕并向管子周边扩散，弯头表面开口裂纹较宽。将弯头纵向切开可以看到弯头内壁已经腐蚀，呈现暗红色。其中，弯头1表面呈椭圆形，表面裂纹较多；弯头2的裂纹主要分布在曲率最大的地方，其他地方裂纹较少。另外，弯头2的背面有加强板，板厚约为5.9mm，加强板与弯头管的焊接不太牢固，有明显的弧坑。所以，弯头2在循环加热过程中的热变形受到较大影响，焊接的缺陷也给2号弯头带来损伤。
3、试验结果
3.1弯头裂纹截面的金相分析
两个弯头的内侧表面均有裂纹，表面形态特征相同，弯头裂纹内被氧化物和腐蚀物填充，从表面特征来看，弯头裂纹均属于热疲劳裂纹，即长时间经历循环加热所致。用AES对裂纹表面的灰色氧化物进行能谱分析，发现该氧化物主要由铁的氧化物和硫化物组成，这说明弯头管子内壁腐蚀物主要由铁和氧组成，这也是裂纹表面与锅炉气氛相互作用的结果。
根据金属二次结晶理论，金属的二次结晶过程受多种因素影响，如变形度、退火温度等；金属在冷变形后二次加热的温度越低，二次结晶时晶粒长大的应变量越高，二次结晶后的晶粒尺寸越小、越细。从实验结果来看：1号弯头的二次结晶晶粒没有明显长长，这是由于二次结晶时温度较低所致；而且金属在温度较低的情况下进行二次结晶时所得晶粒的尺寸具有较大差异。
金属的热疲劳抗力主要由高温作用下的屈服强度和极限塑性决定，热疲劳则是在热应力的作用下导致的循环塑性应变。经过对不同晶粒度材料的热疲劳裂纹扩张进行研究发现，较为均匀的晶粒材料的耐热疲劳性能较高，而较粗的晶粒者具有较差的耐热疲劳性能，最容易产生热疲劳裂纹的则是粗晶与细晶的混合体。
3.2弯管截面失圆与蠕变
锅炉冷水壁辐射过热器管弯头的全部负载在弯头曲率最大处产生弯矩。在弯曲力矩作用下，在中性轴上产生最大的弯曲应力，过热器管就是在弯曲应力的作用下发生蠕变变形，截面逐渐由圆形蠕变为椭圆形。弯曲应力由弯头半径和厚度与直径的比值来决定，弯头半径越小，厚度与直径的比值越大，弯曲应力越大，管子越接近于椭圆形。另外，如果弯头背面有加强板，弯曲应力则会进一步增加。有加强板的弯头疲劳强度与光滑弯头的疲劳强度比值是三分之二，所以在可以发生蠕变的温度范围内，上述差异和变化也会进一步加剧。2号弯头由于具有较大的弯曲曲率导致其具有较高蠕变应力。
当辐射过热器的工况温度达到蠕变温度时，弯头在负载弯矩的作用下就会发生塑性变形，弯头管子的截面就会由圆形逐渐变为椭圆形。此外，2号弯头与1号弯头相比具有显著的椭圆度和大量的热疲劳裂纹，这一事实充分说明热疲劳损伤会由于管子失圆而加速，因此弯头的蠕变损伤对热疲劳裂纹具有促进作用。
3.3热疲劳裂纹的断裂力学分析
环境温度循环变化和零件外形受到机械约束是热疲劳裂纹产生的必要条件。而机械约束分为外部约束和内部约束，外部约束是指弯头受到刚性支撑或连接而产生的约束；内部约束则是指零件界面内产生温度梯度，一部分材料对另一部分材料的变形产生的约束。另外，其它热性能及零件结构因素和温度变化等因素也是导致热疲劳开裂的主要原因。对于2号弯头来说，弯头背面焊有鳍片，焊接的缺陷对弯头断裂过程发挥了作用，而且弯头截面失圆，管壁薄厚不均匀，在薄截面处由于较低的热惯性诱发了热应力。这些缺陷极易出现热疲劳或蠕变裂纹。
过热器管裂纹中的夹杂物和沉淀物对于热疲劳裂纹的形成起着至关重要的作用。在高温作用下，沉淀物与第二相粒子和周围基体的结合力减弱，裂纹就会在次表层产生。所以热疲劳裂纹不仅可以在零件表面形成也可以在次表面形成。有些时候表面裂纹和次表层裂纹在变大的过程中会合并成主裂纹，甚至引起裂纹扩展。
4、对于改善过热器管弯头热疲劳抗力的建议
在具体工程的实际操作中，我们应尽力提高过热器管弯头材料在循环加热情况下的热疲劳稳定性和尽量减小由于温度不断变化而引起的过量应变，这也是改善过热器管弯头热疲劳抗力必须遵循的原则。从本文的试验可以看出，直径较大的弯头与直径较小的弯头相比，前者具备较强的热疲劳抗力；而光滑的弯头与带加强板的弯头相比，前者具有较高的耐热疲劳抗力。所以，我们在安装锅炉水冷壁辐射过热器管的弯头时尽量应用直径较大，没有加强板的弯头，如果在必须加加强板的情况下，我们在安装时应尽量减少约束作用，留出一定空间让弯头自由伸缩。其次，我们要保持过热器管截面的规整，尽量不要失圆，在施工过程中尽力减小弯曲应力的集中。
5、结束语
作者通过对两个弯头进行检查分析，发现辐射过热器弯头内侧表面的裂纹主要是由于锅炉在循环加热过程中塑性变形所致，而且锅炉运行时材料组织的二次结晶及蠕变损伤也会降低弯头的耐热疲劳效应。辐射过热器管弯头存在蠕变变形现象，当弯头管子截面呈现椭圆形时会加速蠕变损伤，也会降低弯头的耐疲劳强度。通过对辐射过热器管弯头表面裂纹的断裂力学分析表明，辐射过热器管符合破裂前的渗漏准则。
参考文献
[1]陈南平.脆断失效分析[M].北京：机械工业出版社，1993.
[2]杨显科.金属高温强度及测试[M].上海：上海科技出版社，1986.
[3]刘瑞堂，尹建成.某电厂锅炉角部撕裂原因分析[J].锅炉技术，2003 .