摘 要:某廠所用的20G 鋼鍋爐煙道管在使用過程中發生開裂。採用宏觀觀察、化學成分分析、 金相檢驗、力學性能測試及能譜分析等方法分析其開裂的原因。結果表明:Cu元素的富集以及組 織存在過熱現象是造成鍋爐煙道管在使用過程中發生開裂的主要原因。關鍵詞:20G 鋼鍋爐煙道管;組織過熱;元素富集;晶界氧化
中圖分類號:TG115.2 文獻標誌碼:B 文章編號:1001-4012(2022)09-0035-04
國內無縫鋼管主要採用熱軋管生產工藝進行生 產,熱軋管生產工藝主要有兩種:二輥斜軋穿孔-連 軋-張力減徑生產工藝;斜軋穿孔-斜軋(三輥軋管機)- 減定徑生產工藝[1]。20G 鋼無縫鋼管主要應用於高 壓和超高壓鍋爐的過熱器管、再熱器管、導氣管、主蒸 汽管 等。20G 鋼 鍋 爐 煙 道 管 的 工 作 壓 力 一 般 在 9.8MPa以上,工作溫度為800~1000 ℃,鋼管在高 溫煙氣和水蒸氣的共同作用下會發生氧化和腐蝕,因 此要求鋼管具有較高的持久強度及較好的抗氧化腐 蝕性能,並有良好的組織穩定性。某廠所用的20G鍋 爐煙道管在使用過程中發生開裂,筆者採用化學成分 分析、金相檢驗、力學性能測試、掃描電鏡及能譜分析 等方法,分析了該鍋爐煙道管發生開裂的原因。1 理化檢驗1.1 宏觀觀察開裂20G 鋼鍋爐煙道管的宏觀形貌如圖1所示,可見裂口位置明顯脹粗,裂紋沿縱向延伸[2],裂 紋長度約為10mm,寬度約為2mm。
1.2 力學性能測試在開裂鍋爐煙道管上取樣,對其進行力學性能 測試,結果如表1所示。由表1可知,20G 鋼鍋爐煙 道管各項力學性能均符合 GB/T5310—2017《高壓 鍋爐用無縫鋼管》的要求。
1.3 化學成分分析在開裂鍋爐煙道管上取樣,對其進行化學成分 分析,結果如表2所示。由表2可知,20G 鋼鍋爐煙 道管的化學成分符合 GB/T5310—2017的要求。
1.4 夾雜物檢驗在開裂鍋爐煙道管上沿與裂紋平行的截面取 樣,依據 GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含 量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對試樣進行夾雜物評級,結果如表3所示。由表3可知,試樣的非金 屬夾雜物等級為球狀氧化物類細系0.5級。1.5 金相檢驗在開裂鍋爐煙道管上取樣進行金相檢驗,取樣位 置如圖1所示,金相檢驗結果如圖2所示。由圖2可 知:開裂處存在一條貫穿裂紋,裂紋周圍有氧化物,且 未發現大顆粒夾雜及卷渣;腐蝕後可見裂紋周圍組織 存在脫碳現象,裂紋周圍局部組織晶界存在氧化現 象;裂紋周圍及靠近裂紋位置均存在浮凸的棕黃色元 素富集相,並且存在嚴重的魏氏組織,魏氏組織評級 為3.5級;基體組織為鐵素體+珠光體。
1.6 能譜分析在裂紋周圍及靠近裂紋位置的棕黃色元素富集 相和基體處取樣,並對其進行能譜分析,結果如圖3 和表4所示。由圖3和表4可知:棕黃色元素富集 相呈浮凸狀,富集相內含有 Cu,Fe,C元素和少量的 Mn,O 元素;基體處僅含有 Fe,C元素。
2 綜合分析由上述理化檢驗結果可知,開裂鍋爐煙道管的 裂紋周圍組織存在明顯的脫碳現象,局部晶界存在 高溫氧化特徵,並且裂紋周圍存在嚴重的魏氏組織, 其級別達到了3.5級。未開裂位置的基體組織為鐵 素體+珠光體,無魏氏組織,說明鍋爐煙道管開裂位 置產生了嚴重的過熱情況。鍋爐煙道管中未開裂位 置組織正常,僅開裂位置組織過熱,說明該過熱組織 是在後續使用過程中產生的。鍋爐煙道管的工作溫 度為800~1000 ℃,內部採用350 ℃水冷介質,現 場查看其開裂位置,發現該鍋爐煙道管應該存在一 段時間的斷水現象,具體時長無法確認,原因可能是在斷水時,管道無法及時冷卻而存在高溫環境,導致 該位置嚴重過熱,產生了魏氏組織。當鋼中含碳量 約為0.2% (質量分數,下同)時,會有魏氏 組 織 產 生,而該開裂鍋爐煙道管的含碳量為0.19%,易產 生魏氏組織[3]。魏氏組織是一種過熱缺陷,其會降 低鋼的塑性和韌性,提高鋼的脆性轉變溫度[4-5],導 致管道發生開裂。裂紋周圍及靠近裂紋位置均存在浮凸的棕黃色 元素富集相,這種富集相具有沿奧氏體晶界分佈的 特徵,富集相內含有75%~85%的 Cu元素。該開 裂鍋爐煙道管的化學成分符合 GB/T5310—2017 的要求,因此 Cu元素的富集應該發生在該開裂鍋 爐煙道管的使用過程中,因過熱造成了 Cu元素富 集。加熱氧化對 Cu元素的富集分佈影響較大,加 熱氧化越嚴重,Cu元素越容易向基體內部滲透並擴 展[6],形成沿晶界分佈的 Cu元素帶,晶界氧化嚴重 破壞了基體的連續性,使其高溫強度及韌性降低,最 終導致管道開裂。3 結語及建議造成20G 鋼鍋爐煙道管開裂的主要原因是:一 段時間的斷水導致局部出現異常高溫環境,異常高 溫環境造成嚴重過熱現象,使材料產生魏氏組織,從而降低了鋼的塑性和韌性;同時過熱還造成了 Cu 元素在 晶 界 富 集,使 晶 界 氧 化,最 終 使 管 道 發 生 開裂。建議:加強對水處理和水質監測的管理,增加除 氧和除鐵設備,避免因長時間水垢累積而造成的鍋 爐管堵塞斷水;充分利用好停爐檢修階段,請專業人 員對鍋爐管進行除垢清灰、維修保養;加強監督,在 大修、中修、小修、停爐檢修中,除了對常規項目進行 檢查,還需要對鍋爐管道進行無損檢測,觀察其有無 堵塞情況,及時記錄並處理。參考文獻:[1] 秦建平,朱豔春,楚志兵.熱軋無縫鋼管短流程生產工 藝研究[J].鋼管,2021,50(3):46-49.[2] 盧書媛,王衛忠,俞璐,等.鍋爐過熱器管爆裂原因分 析[J].理化檢驗(物理分冊),2016,52(11):807-810.[3] 馬向東,賈益軍,李秀坤,等.20G 鋼管焊接接頭斷裂 失效分析[J].焊接技術,2020,49(增刊):185-187.[4] 馬慶謙,遊菊.鍋爐水冷壁管爆管原因分析[J].理化 檢驗(物理分冊),2004,40(9):465-468.[5] 李智超,趙立東,鮑澤斌.20g鋼魏氏組織韌性及微觀 斷口形貌研究[J].物理測試,2003,21(5):7-10.[6] 李長榮,楊小平,文輝.銅元素在鋼表面氧化過程中富 集規律的研究[J].熱加工工藝,2010,39(4):8-11.<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 9期 (pp:35-38)>
