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

關(guān)鍵詞:20G 鋼鍋爐煙道管;組織過(guò)熱;元素富集;晶界氧化

中圖分類號(hào):TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2022)09-0035-04

國(guó)內(nèi)無(wú)縫鋼管主要采用熱軋管生產(chǎn)工藝進(jìn)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(jī))- 減定徑生產(chǎn)工藝[1]。20G 鋼無(wú)縫鋼管主要應(yīng)用于高 壓和超高壓鍋爐的過(guò)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?huì)發(fā)生氧化和腐蝕,因 此要求鋼管具有較高的持久強(qiáng)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(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂,筆者采用化學(xué)成分 分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)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(kāi)裂的原因。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開(kāi)裂20G 鋼鍋爐煙道管的宏觀形貌如圖1所示,可見(jiàn)裂口位置明顯脹粗,裂紋沿縱向延伸[2],裂 紋長(zhǎng)度約為10mm,寬度約為2mm。

1.2 力學(xué)性能測(cè)試

在開(kāi)裂鍋爐煙道管上取樣,對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能 測(cè)試,結(jié)果如表1所示。由表1可知,20G 鋼鍋爐煙 道管各項(xiàng)力學(xué)性能均符合 GB/T5310—2017《高壓 鍋爐用無(wú)縫鋼管》的要求。

1.3 化學(xué)成分分析

在開(kāi)裂鍋爐煙道管上取樣,對(duì)其進(jìn)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(yàn)

在開(kāi)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(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)試樣進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí),結(jié)果如表3所示。由表3可知,試樣的非金 屬夾雜物等級(jí)為球狀氧化物類細(xì)系0.5級(jí)。

1.5 金相檢驗(yàn)

在開(kāi)裂鍋爐煙道管上取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),取樣位 置如圖1所示,金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可 知:開(kāi)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(jiàn)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(píng)級(jí) 為3.5級(jí);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(duì)其進(jìn)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(yàn)結(jié)果可知,開(kāi)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(jí)別達(dá)到了3.5級(jí)。未開(kāi)裂位置的基體組織為鐵 素體+珠光體,無(wú)魏氏組織,說(shuō)明鍋爐煙道管開(kāi)裂位 置產(chǎn)生了嚴(yán)重的過(guò)熱情況。鍋爐煙道管中未開(kāi)裂位 置組織正常,僅開(kāi)裂位置組織過(guò)熱,說(shuō)明該過(guò)熱組織 是在后續(xù)使用過(guò)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(chǎng)查看其開(kāi)裂位置,發(fā)現(xiàn)該鍋爐煙道管應(yīng)該存在一 段時(shí)間的斷水現(xiàn)象,具體時(shí)長(zhǎng)無(wú)法確認(rèn),原因可能是在斷水時(shí),管道無(wú)法及時(shí)冷卻而存在高溫環(huán)境,導(dǎo)致 該位置嚴(yán)重過(guò)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(shí),會(huì)有魏氏 組 織 產(chǎn) 生,而該開(kāi)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(guò)熱缺陷,其會(huì)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(kāi)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(kāi) 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(kāi)裂鍋 爐煙道管的使用過(guò)程中,因過(guò)熱造成了 Cu元素富 集。加熱氧化對(duì) 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(kuò) 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(qiáng)度及韌性降低,最 終導(dǎo)致管道開(kāi)裂。

3 結(jié)語(yǔ)及建議

造成20G 鋼鍋爐煙道管開(kāi)裂的主要原因是:一 段時(shí)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(guò)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(shí)過(guò)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(kāi)裂。

建議:加強(qiáng)對(duì)水處理和水質(zhì)監(jiān)測(cè)的管理,增加除 氧和除鐵設(shè)備,避免因長(zhǎng)時(shí)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(qǐng)專業(yè)人 員對(duì)鍋爐管進(jìn)行除垢清灰、維修保養(yǎng);加強(qiáng)監(jiān)督,在 大修、中修、小修、停爐檢修中,除了對(duì)常規(guī)項(xiàng)目進(jìn)行 檢查,還需要對(duì)鍋爐管道進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),觀察其有無(wú) 堵塞情況,及時(shí)記錄并處理。

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>58卷>9期(pp:35-38)>