• 蔡煜1,,
• 徐磊2,
• 孙忍1,
• 李珺2,
• 殷绪强1,
• 朱寅1

• 1.

  江苏常宝普莱森钢管有限公司，常州 213200

• 2.

  江苏常宝钢管股份有限公司，常州 213000

高压锅炉管是现代工业生产中的关键部件，其性能和稳定性直接影响整个设备的运行安全和效率[1]。15CrMoG钢是一种高性能的高压锅炉管材料，具有良好的耐高温、耐腐蚀等特性，广泛应用于电力、石油、化工等行业[2]。然而，在实际加工制造过程中，高压锅炉管的弯管开裂问题时有发生，严重影响了设备的正常运行，缩短了设备的使用寿命[3-8]。因此，及时分析缺陷产生的原因是防止事故发生和提高生产效率的必要措施[9]。

某热轧厂供货的锅炉管采用中频感应线圈对待弯头部位进行加热，感应线圈材料为铜合金，中频感应加热温度约为1 000 ℃，加热到指定温度后，使用在线弯管设备加工90°弯头，弯管加工过程如图1所示。将弯头弯制后，对其进行表面检查，发现其中1支管子在距始弯区域约200 mm位置开裂。该钢管经热轧加工，热处理状态为正火+回火，经理化检验、无损检测合格后供货，其规格为φ168 mm×20 mm（直径×厚度）。为探究弯管开裂原因，笔者对其进行一系列理化检验，以避免该类问题再次发生。

图 1弯管加工过程示意

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1. 理化检验

1.1 宏观观察

弯管开裂处的宏观形貌如图2所示。由图2可知：裂纹位于内弧侧和外弧侧之间的中性面，裂纹长度约为6.5 cm，呈约45°角分布，裂纹贯穿整个壁厚。

图 2弯管开裂处的宏观形貌

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在开裂处取样，具体取样位置如图3所示。其中，对位置1开裂区域进行整体切取，位置2区域紧邻开裂部位，靠近外弧侧。

图 3取样位置示意

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1.2 化学成分分析

使用直读光谱仪对位置2试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：试样的化学成分符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》的要求。

Table 1.开裂弯管的化学成分分析结果

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1.3 力学性能测试

在开裂弯管位置2处取直径为5 mm，原始标距为25 mm的圆棒试样，使用电子拉伸试验机，按照GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》对试样进行纵向拉伸试验。在开裂弯管位置3~5处取冲击试样，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm（宽度×厚度×长度），使用冲击试验机，按照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》对试样进行纵向冲击试验，试验温度为20 ℃。开裂弯管的拉伸和冲击性能测试结果如表2所示。由表2可知：试样的拉伸性能和冲击性能符合GB/T 5310—2017标准要求，但沿着弯管中性面弧线长度方向不同部位的冲击吸收能量差值较大。

Table 2.开裂弯管的拉伸和冲击性能测试结果

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在开裂弯管位置3~5处取硬度测试试样，使用万能硬度计，按照GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》对试样进行维氏硬度测试，结果显示位置3~5的硬度分别为159，170，185 HV10，符合技术要求（130~195 HV10）。

1.4 金相检验

在开裂弯管位置3~5处截取并制备金相试样，对试样进行金相检验，结果如图4所示。由图4可知：位置3的显微组织为铁素体+珠光体+贝氏体；位置4的显微组织为铁素体+珠光体；位置5的显微组织为铁素体+贝氏体+珠光体。

图 4开裂弯管位置3~5处的显微组织形貌

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在开裂弯管位置1处截取并制备金相试样，对试样进行金相检验，结果如图5所示。由图5可知：试样表面覆盖有亮黄色物质，且开裂处存在明显磕碰痕迹；将开裂处机械打开，可见开裂源位于外表面，且开裂源及整个断口均被亮黄色物质覆盖；观察开裂部位的纵向显微组织，可见开裂处及其附近的纵向截面及基体均存在亮黄色物质，呈沿晶分布特征。

图 5开裂弯管位置1处的微观形貌

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1.5 扫描电镜（SEM）及能谱分析

采用扫描电镜对图5（a）中红色方框标记区域进行SEM及能谱分析，结果如图6所示。由图6可知：开裂处及断口的内部覆盖物质主要含有Cu、Zn元素，因此可以推测出该亮黄色物质为铜锌合金（黄铜）。

图 6开裂弯管的SEM形貌及能谱分析结果

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2. 综合分析

由开裂弯管宏观形貌可知，开裂部位与管子轴向呈约45°角，中间裂口较两侧大，且开裂贯穿整个壁厚。将弯管开裂处机械打开后发现，断口面呈河流花样，为典型的脆性断口。根据裂纹扩展方向可以判断，开裂起源于弯管的外表面。开裂部位及断口处均覆盖有亮黄色物质，且开裂部位有明显磕碰痕迹。开裂部位的显微组织为铁素体＋珠光体，晶粒度为8级。在裂纹源及裂纹源附近均能观察到亮黄色物质。弯管内弧侧与外弧侧之间的中性面沿着弧线方向的冲击吸收能量、维氏硬度和显微组织有一定差异，这是因为弯管各部位的加热温度与冷却速率不一致。裂纹源及其附近断口处亮黄色物质为外来的铜锌合金（黄铜）。

铜污染裂纹的产生条件为：（1）有足够的铜金属，至少覆盖部分断面；（2）存在拉伸应力；（3）温度达到铜熔点（1 083 ℃）的3/4（813 ℃）以上；（4）一些液态铜或铜蒸汽达到了裂纹尖端[10]。该开裂弯管使用感应线圈加热母管，线圈材料为铜锌合金，加热温度约为1 000 ℃。采用在线弯头设备加工90°弯头，母管在加热后局部变软，其中性面与感应线圈产生磕碰，线圈位置、弯管位置与弯管中性面角度一致。线圈上部分铜合金黏连在钢管表面，加热温度发生波动，导致表面局部加热温度高于黄铜的熔点，黄铜转化为液态。弯管过程中，中性面也产生了一定的拉应力，在拉应力作用下，液态（熔态）金属沿基体（固态）金属晶界扩散到内部，与基体金属反应，生成较弱的第三相，该相在一定温度下为熔态，沿晶界扩散并削弱了基体晶界的强度，进而导致弯管开裂[10]。

3. 结论

弯管开裂原因为：感应线圈与钢管产生磕碰，线圈上的铜锌合金嵌入基体，中频加热过程中，铜锌合金熔化覆盖在基体上，导致晶界弱化，在拉应力的作用下，弯管发生开裂。