摘 要:某廠所用的20G 鋼鍋爐煙道管在使用過程中發(fā)生開裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、 金相檢驗、力學(xué)性能測試及能譜分析等方法分析其開裂的原因。結(jié)果表明:Cu元素的富集以及組 織存在過熱現(xiàn)象是造成鍋爐煙道管在使用過程中發(fā)生開裂的主要原因。 

關(guān)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(biāo)志碼:B                              文章編號:1001-4012(2022)09-0035-04 

國內(nèi)無縫鋼管主要采用熱軋管生產(chǎn)工藝進行生 產(chǎn),熱軋管生產(chǎn)工藝主要有兩種:二輥斜軋穿孔-連 軋-張力減徑生產(chǎn)工藝;斜軋穿孔-斜軋(三輥軋管機)- 減定徑生產(chǎn)工藝[1]。20G 鋼無縫鋼管主要應(yīng)用于高 壓和超高壓鍋爐的過熱器管、再熱器管、導(dǎo)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?zé)煔夂退魵獾墓餐饔孟聲l(fā)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,并有良好的組織穩(wěn)定性。某廠所用的20G鍋 爐煙道管在使用過程中發(fā)生開裂,筆者采用化學(xué)成分 分析、金相檢驗、力學(xué)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(fā)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(xué)性能測試 

在開裂鍋爐煙道管上取樣,對其進行力學(xué)性能 測試,結(jié)果如表1所示。由表1可知,20G 鋼鍋爐煙 道管各項力學(xué)性能均符合 GB/T5310—2017《高壓 鍋爐用無縫鋼管》的要求。

1.3 化學(xué)成分分析

 在開裂鍋爐煙道管上取樣,對其進行化學(xué)成分 分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知,20G 鋼鍋爐煙 道管的化學(xué)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(jù) GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含 量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》對試樣進行夾雜物評級,結(jié)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(xì)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(jié)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(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜及卷渣;腐蝕后可見裂紋周圍組織 存在脫碳現(xiàn)象,裂紋周圍局部組織晶界存在氧化現(xiàn) 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,并且存在嚴(yán)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,并對其進行能譜分析,結(jié)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?fàn)?富集相內(nèi)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(jié)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(xiàn)象,局部晶界存在 高溫氧化特征,并且裂紋周圍存在嚴(yán)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(chǎn)生了嚴(yán)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 是在后續(xù)使用過程中產(chǎn)生的。鍋爐煙道管的工作溫 度為800~1000 ℃,內(nèi)部采用350 ℃水冷介質(zhì),現(xiàn) 場查看其開裂位置,發(fā)現(xiàn)該鍋爐煙道管應(yīng)該存在一 段時間的斷水現(xiàn)象,具體時長無法確認(rèn),原因可能是在斷水時,管道無法及時冷卻而存在高溫環(huán)境,導(dǎo)致 該位置嚴(yán)重過熱,產(chǎn)生了魏氏組織。當(dāng)鋼中含碳量 約為0.2% (質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)時,會有魏氏 組 織 產(chǎn) 生,而該開裂鍋爐煙道管的含碳量為0.19%,易產(chǎn) 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(zhuǎn)變溫度[4-5],導(dǎo) 致管道發(fā)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布的 特征,富集相內(nèi)含有75%~85%的 Cu元素。該開 裂鍋爐煙道管的化學(xué)成分符合 GB/T5310—2017 的要求,因此 Cu元素的富集應(yīng)該發(fā)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元素的富集分布影響較大,加 熱氧化越嚴(yán)重,Cu元素越容易向基體內(nèi)部滲透并擴 展[6],形成沿晶界分布的 Cu元素帶,晶界氧化嚴(yán)重 破壞了基體的連續(xù)性,使其高溫強度及韌性降低,最 終導(dǎo)致管道開裂。 

3 結(jié)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(dǎo)致局部出現(xiàn)異常高溫環(huán)境,異常高 溫環(huán)境造成嚴(yán)重過熱現(xiàn)象,使材料產(chǎn)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(fā) 生 開裂。

建議:加強對水處理和水質(zhì)監(jiān)測的管理,增加除 氧和除鐵設(shè)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(yè)人 員對鍋爐管進行除垢清灰、維修保養(yǎng);加強監(jiān)督,在 大修、中修、小修、停爐檢修中,除了對常規(guī)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,及時記錄并處理。

參考文獻: 

[1] 秦建平,朱艷春,楚志兵.熱軋無縫鋼管短流程生產(chǎn)工 藝研究[J].鋼管,2021,50(3):46-49. 

[2] 盧書媛,王衛(wèi)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(shù),2020,49(增刊):185-187. 

[4] 馬慶謙,游菊.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. 

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[6] 李長榮,楊小平,文輝.銅元素在鋼表面氧化過程中富 集規(guī)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(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 9期 (pp:35-38)>