摘 要:某厂所用的20G 钢锅炉烟道管在使用过程中发生开裂。采用宏观观察、化学成分分析、 金相检验、力学性能测试及能谱分析等方法分析其开裂的原因。结果表明:Cu元素的富集以及组 织存在过热现象是造成锅炉烟道管在使用过程中发生开裂的主要原因。

关键词:20G 钢锅炉烟道管;组织过热;元素富集;晶界氧化

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)09-0035-04

国内无缝钢管主要采用热轧管生产工艺进行生 产,热轧管生产工艺主要有两种:二辊斜轧穿孔-连 轧-张力减径生产工艺;斜轧穿孔-斜轧(三辊轧管机)- 减定径生产工艺[1]。20G 钢无缝钢管主要应用于高 压和超高压锅炉的过热器管、再热器管、导气管、主蒸 汽管 等。20G 钢 锅 炉 烟 道 管 的 工 作 压 力 一 般 在 9.8MPa以上,工作温度为800~1000 ℃,钢管在高 温烟气和水蒸气的共同作用下会发生氧化和腐蚀,因 此要求钢管具有较高的持久强度及较好的抗氧化腐 蚀性能,并有良好的组织稳定性。某厂所用的20G锅 炉烟道管在使用过程中发生开裂,笔者采用化学成分 分析、金相检验、力学性能测试、扫描电镜及能谱分析 等方法,分析了该锅炉烟道管发生开裂的原因。

1 理化检验

1.1 宏观观察

开裂20G 钢锅炉烟道管的宏观形貌如图1所示,可见裂口位置明显胀粗,裂纹沿纵向延伸[2],裂 纹长度约为10mm,宽度约为2mm。

1.2 力学性能测试

在开裂锅炉烟道管上取样,对其进行力学性能 测试,结果如表1所示。由表1可知,20G 钢锅炉烟 道管各项力学性能均符合 GB/T5310—2017《高压 锅炉用无缝钢管》的要求。

1.3 化学成分分析

在开裂锅炉烟道管上取样,对其进行化学成分 分析,结果如表2所示。由表2可知,20G 钢锅炉烟 道管的化学成分符合 GB/T5310—2017的要求。

1.4 夹杂物检验

在开裂锅炉烟道管上沿与裂纹平行的截面取 样,依据 GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含 量的测定 标准评级图显微检验法》对试样进行夹杂物评级,结果如表3所示。由表3可知,试样的非金 属夹杂物等级为球状氧化物类细系0.5级。

1.5 金相检验

在开裂锅炉烟道管上取样进行金相检验,取样位 置如图1所示,金相检验结果如图2所示。由图2可 知:开裂处存在一条贯穿裂纹,裂纹周围有氧化物,且 未发现大颗粒夹杂及卷渣;腐蚀后可见裂纹周围组织 存在脱碳现象,裂纹周围局部组织晶界存在氧化现 象;裂纹周围及靠近裂纹位置均存在浮凸的棕黄色元 素富集相,并且存在严重的魏氏组织,魏氏组织评级 为3.5级;基体组织为铁素体+珠光体。

1.6 能谱分析

在裂纹周围及靠近裂纹位置的棕黄色元素富集 相和基体处取样,并对其进行能谱分析,结果如图3 和表4所示。由图3和表4可知:棕黄色元素富集 相呈浮凸状,富集相内含有 Cu,Fe,C元素和少量的 Mn,O 元素;基体处仅含有 Fe,C元素。

2 综合分析

由上述理化检验结果可知,开裂锅炉烟道管的 裂纹周围组织存在明显的脱碳现象,局部晶界存在 高温氧化特征,并且裂纹周围存在严重的魏氏组织, 其级别达到了3.5级。未开裂位置的基体组织为铁 素体+珠光体,无魏氏组织,说明锅炉烟道管开裂位 置产生了严重的过热情况。锅炉烟道管中未开裂位 置组织正常,仅开裂位置组织过热,说明该过热组织 是在后续使用过程中产生的。锅炉烟道管的工作温 度为800~1000 ℃,内部采用350 ℃水冷介质,现 场查看其开裂位置,发现该锅炉烟道管应该存在一 段时间的断水现象,具体时长无法确认,原因可能是在断水时,管道无法及时冷却而存在高温环境,导致 该位置严重过热,产生了魏氏组织。当钢中含碳量 约为0.2% (质量分数,下同)时,会有魏氏 组 织 产 生,而该开裂锅炉烟道管的含碳量为0.19%,易产 生魏氏组织[3]。魏氏组织是一种过热缺陷,其会降 低钢的塑性和韧性,提高钢的脆性转变温度[4-5],导 致管道发生开裂。

裂纹周围及靠近裂纹位置均存在浮凸的棕黄色 元素富集相,这种富集相具有沿奥氏体晶界分布的 特征,富集相内含有75%~85%的 Cu元素。该开 裂锅炉烟道管的化学成分符合 GB/T5310—2017 的要求,因此 Cu元素的富集应该发生在该开裂锅 炉烟道管的使用过程中,因过热造成了 Cu元素富 集。加热氧化对 Cu元素的富集分布影响较大,加 热氧化越严重,Cu元素越容易向基体内部渗透并扩 展[6],形成沿晶界分布的 Cu元素带,晶界氧化严重 破坏了基体的连续性,使其高温强度及韧性降低,最 终导致管道开裂。

3 结语及建议

造成20G 钢锅炉烟道管开裂的主要原因是:一 段时间的断水导致局部出现异常高温环境,异常高 温环境造成严重过热现象,使材料产生魏氏组织,从而降低了钢的塑性和韧性;同时过热还造成了 Cu 元素在 晶 界 富 集,使 晶 界 氧 化,最 终 使 管 道 发 生 开裂。

建议:加强对水处理和水质监测的管理,增加除 氧和除铁设备,避免因长时间水垢累积而造成的锅 炉管堵塞断水;充分利用好停炉检修阶段,请专业人 员对锅炉管进行除垢清灰、维修保养;加强监督,在 大修、中修、小修、停炉检修中,除了对常规项目进行 检查,还需要对锅炉管道进行无损检测,观察其有无 堵塞情况,及时记录并处理。

参考文献:

[1] 秦建平,朱艳春,楚志兵.热轧无缝钢管短流程生产工 艺研究[J].钢管,2021,50(3):46-49.

[2] 卢书媛,王卫忠,俞璐,等.锅炉过热器管爆裂原因分 析[J].理化检验(物理分册),2016,52(11):807-810.

[3] 马向东,贾益军,李秀坤,等.20G 钢管焊接接头断裂 失效分析[J].焊接技术,2020,49(增刊):185-187.

[4] 马庆谦,游菊.锅炉水冷壁管爆管原因分析[J].理化 检验(物理分册),2004,40(9):465-468.

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[6] 李长荣,杨小平,文辉.铜元素在钢表面氧化过程中富 集规律的研究[J].热加工工艺,2010,39(4):8-11.

<文章来源>材料与测试网>期刊论文>理化检验－物理分册>58卷>9期(pp:35-38)>