不銹鋼鍋爐管爆管失效分析

某鍋爐發(fa)生不(bu)銹鋼鍋爐管爆管(guan)失(shi)效(xiao)(xiao)。文中利用金相顯微鏡、直讀光(guang)譜儀，掃描電鏡等對失(shi)效(xiao)(xiao)管(guan)道進行了分析，結果(guo)表明：失(shi)效(xiao)(xiao)鋼管(guan)是在高溫高壓下發(fa)生(sheng)氫(qing)腐(fu)蝕，使(shi)鋼管(guan)內壁發(fa)生(sheng)腐(fu)蝕，形成大量的晶界裂紋(wen)，同時發(fa)生(sheng)氧(yang)化反應，生(sheng)成較(jiao)厚的氧(yang)化垢(gou)層。當停爐或(huo)負荷變化較(jiao)大時，管(guan)壁上的氧(yang)化垢(gou)層容易發(fa)生(sheng)剝落(luo)，并在某處聚集，引起水(shui)流不暢或(huo)阻塞，使(shi)阻塞部(bu)位(wei)的鋼管(guan)短時升溫劇烈(lie)，發(fa)生(sheng)過熱爆管(guan)。

工業鍋爐受熱(re)(re)面管(guan)由多根(gen)管(guan)道組成，在工業鍋爐的運作(zuo)中起著(zhu)十分重要的作(zuo)用(yong)。水或者水汽混合物在受熱(re)(re)面管(guan)內流過，煙(yan)氣及(ji)熱(re)(re)輻射(she)等各(ge)種(zhong)熱(re)(re)量以對流傳熱(re)(re)的方式將熱(re)(re)量傳遞給管(guan)內介質(zhi)。不銹鋼鍋爐管道長(chang)期在高(gao)(gao)溫、高(gao)(gao)壓下運行，其失效機(ji)理(li)包括長(chang)期過熱(re)、短期過熱(re)、磨損、煙氣(qi)側氧腐(fu)蝕(shi)(shi)、應力(li)腐(fu)蝕(shi)(shi)裂紋(wen)、熱(re)疲勞、高(gao)(gao)溫腐(fu)蝕(shi)(shi)和質量控(kong)制失誤等。20G鋼管(guan)是最為(wei)常(chang)用不銹鋼(gang)鍋爐管(guan)道用鋼，該鋼含碳量較(jiao)低(di)，有較(jiao)佳塑性和韌性，其冷熱成型和焊接(jie)性能良好，其失效(xiao)分(fen)析和預(yu)防具有很(hen)大(da)的研究(jiu)空間。

1概述

1.1失效情況概述(shu)

某廠鍋爐爐膛內管道失效鍋爐材質為20G鋼管，規格約為62mm，管(guan)道服(fu)役(yi)4年，鍋爐經檢修20天后點(dian)爐，點(dian)爐前打(da)壓正常，點(dian)爐后3天發(fa)生多管爆(bao)(bao)裂失效，爆(bao)(bao)裂口(kou)(kou)均在向火(huo)面。爆(bao)(bao)裂口(kou)(kou)存在兩種形(xing)貌(mao)，一種呈喇(la)叭(ba)狀(zhuang)開口(kou)(kou)，裂口(kou)(kou)處明顯(xian)脹(zhang)粗(cu)，另一種裂口(kou)(kou)無明顯(xian)脹(zhang)粗(cu)，形(xing)貌(mao)為樹皮狀(zhuang)龜裂紋，且后者居多，部分龜裂紋未穿透管壁。爆(bao)(bao)裂前(qian)不銹鋼鍋爐管外(wai)部煙氣溫度900℃左右(you)，內部(bu)溫度約270℃，壓力5.0MPa。

1.2樣(yang)品情況和(he)宏觀形貌

取爆裂失效不銹鋼(gang)鍋爐管中兩段(duan)，記(ji)做1和2。1管(guan)段(duan)：該管(guan)直管(guan)段(duan)直徑約為61.5mm，爆裂口處管徑明(ming)顯脹(zhang)粗，鼓(gu)脹(zhang)處直徑為67.7mm；管壁厚度不均，最厚處為5.2mm，最薄處2.4mm；爆裂(lie)口沿縱向(xiang)開裂(lie)，呈喇叭狀，長33.6mm，最(zui)大(da)寬(kuan)度7.8mm；爆裂口管壁逐漸減(jian)薄(bo)呈刀(dao)刃(ren)(ren)狀，刃(ren)(ren)口厚度約為0.64mm，減薄處管壁外表面(mian)氧化皮有(you)明顯(xian)縱向裂(lie)紋；爆(bao)裂(lie)口(kou)(kou)內(nei)壁呈暗紅色(se)，有(you)明顯(xian)氧化層。爆(bao)裂(lie)口(kou)(kou)宏觀形貌見圖1（a）。

2管(guan)段：該管(guan)直管(guan)段直徑約為62mm，向火面內壁(bi)氧化結垢較(jiao)嚴重(zhong)，呈棕(zong)紅(hong)(hong)色(se)和暗紅(hong)(hong)色(se)，剝落垢層后發(fa)現(xian)有(you)多(duo)處腐(fu)蝕圓坑，氧化結垢層厚(hou)度在0.5~1.8mm。向火面(mian)外壁氧化明顯，有眾(zhong)多平行于管子軸向的裂紋，破口邊(bian)(bian)緣為鈍邊(bian)(bian)，形貌如樹皮狀0，宏觀形貌見圖1（b）和圖(tu)1（c）。

2分(fen)析方法與結果(guo)

2.1化(hua)學成分檢測

分別對兩個管段(duan)和2管(guan)(guan)段(duan)內壁剝落氧化垢層進行(xing)化學成分(fen)分(fen)析(xi)。兩(liang)管(guan)(guan)段(duan)試樣用(yong)直(zhi)讀(du)光譜儀(yi)進行(xing)成分(fen)分(fen)析(xi)，被檢管(guan)(guan)件各元素成分(fen)檢驗結果均符(fu)合GB5310-2008中20G鋼管(guan)的化學成分要求(qiu)，見表1。對(dui)2管(guan)段內壁剝落氧(yang)化垢層(ceng)進行濕法化學(xue)成分分析，檢驗(yan)結(jie)果(guo)顯示，氧(yang)化垢層(ceng)主要成分為鐵氧(yang)、鈣氧(yang)和鎂氧(yang)化合(he)物，檢驗(yan)結(jie)果(guo)見表(biao)2。

2.2金相(xiang)分析

2.2.1非金屬夾雜物(wu)

在對失效管進行非金屬夾雜物分析時(shi)發現(xian)，硅酸(suan)鹽(yan)類(lei)夾雜物分布(bu)較廣，存在多個視場(chang)且含量(liang)較高(gao)，形(xing)態多為連續排布(bu)，最長的(de)達到300um左右，見圖(tu)2。非金(jin)屬(shu)夾雜(za)(za)物的(de)存在會破壞基(ji)體(ti)的(de)連(lian)續性，利于裂紋的(de)萌生和發(fa)展。在基(ji)體(ti)受到腐蝕時，非金(jin)屬(shu)夾雜(za)(za)物與基(ji)體(ti)結合(he)的(de)部位(wei)先受到腐蝕，然后界(jie)面處的(de)局部腐蝕會向基(ji)體(ti)擴(kuo)展，從而(er)造成點蝕，進而(er)降低材料(liao)的(de)力學(xue)性能，使材料(liao)更容易斷裂。

2.2.2顯微組織

1管段破口處形(xing)貌如圖(tu)3（a）所示，可(ke)以(yi)看(kan)出管壁邊緣已經變(bian)得很薄，且顯微(wei)組(zu)織(zhi)形態沿破(po)口方向拉(la)長變(bian)形；破(po)口附近的顯微(wei)組(zu)織(zhi)為鐵素體(ti)+珠(zhu)光體，其中珠(zhu)光體球化明顯，依(yi)據DL/T674-1999《火電廠用(yong)20號鋼(gang)珠(zhu)光(guang)體球(qiu)化評級標準》，球(qiu)化級別為4級~5級，且晶界處(chu)有碳化物析出(chu)，見(jian)圖3（b）。

2管段管壁分布有多(duo)條裂(lie)紋，呈(cheng)網狀分布，主裂(lie)紋由(you)細小裂(lie)紋組(zu)成(cheng)，同時裂(lie)紋沿晶擴(kuo)展(zhan)，是典(dian)型的腐蝕裂(lie)紋形態(tai)，見圖4（a）。這些細(xi)小(xiao)裂紋的(de)(de)存在，破(po)壞了晶(jing)粒之間的(de)(de)緊(jin)密(mi)聯系，致使材(cai)料的(de)(de)強度和(he)塑性降(jiang)低，在外力的(de)(de)作用(yong)下，極易(yi)發生脆(cui)性斷(duan)裂。觀察裂紋處顯微組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)發現，組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)出現高溫氧化(hua)和(he)脫碳現象(xiang)，組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中珠光(guang)體大(da)部分或全部消失，顯微組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)主(zhu)要是(shi)鐵素(su)體晶(jing)粒，見圖4（a）；管壁中(zhong)心處的組織中(zhong)，雖然保留(liu)有珠光體，但(dan)珠光體已發(fa)生了嚴重的球化現(xian)象，甚至出(chu)現(xian)球狀(zhuang)石墨，球化級別達到5級，見圖4（b）。從組織特征看，2管段(duan)有氫(qing)腐蝕和長期過熱的(de)特征。

對2’管段樹皮(pi)狀處裂紋進行(xing)SEM分析，斷口內壁平滑，存(cun)在大量腐蝕坑b，見(jian)圖5（a）；斷(duan)口為典型的冰糖狀沿晶斷(duan)裂，為脆性斷(duan)口見圖5（b）。

3失效(xiao)原因(yin)分析(xi)與討論(lun)

1）參考(kao)GB5310-2008標準中(zhong)20G的成分要求，失效(xiao)管段(duan)化學成分符合標(biao)準(zhun)要求。

2）根據1管(guan)段爆(bao)裂口宏觀形(xing)貌(mao)和金相組(zu)(zu)織(zhi)分析，爆(bao)裂口呈(cheng)喇叭狀(zhuang)(zhuang)張開，管(guan)徑有明顯脹粗，管(guan)壁逐漸(jian)減薄呈(cheng)刀刃狀(zhuang)(zhuang)，爆(bao)裂口為韌性(xing)斷裂，具有高溫瞬時(shi)開裂特(te)征。爆(bao)裂口處(chu)的顯微組(zu)(zu)織(zhi)中，珠光體球(qiu)化嚴(yan)重；爆(bao)裂口處(chu)管(guan)壁出現因(yin)塑性(xing)變(bian)(bian)形(xing)產生(sheng)的細小裂紋(wen)，顯微組(zu)(zu)織(zhi)隨(sui)變(bian)(bian)形(xing)方向(xiang)被(bei)拉長(chang)。說明爆(bao)裂口處(chu)在較(jiao)短時(shi)間(jian)內受到接近(jin)相變(bian)(bian)溫度Ac1的高溫(wen)過熱，使該處管壁強(qiang)度急劇下降，在內部壓力作用下，產生切(qie)向拉應力使管徑慢(man)慢(man)脹(zhang)粗，管壁減(jian)薄，當管壁厚度減(jian)薄超過其(qi)所能承受的強(qiang)度極限后引發爆管。

3）根據(ju)2’管段宏觀形貌、管內垢層分析(xi)、金相組織及(ji)斷口SEM分析，2’管段內(nei)壁(bi)氧化垢(gou)(gou)(gou)層(ceng)嚴重(zhong)，內(nei)壁(bi)出現腐蝕(shi)坑(keng)，管壁(bi)組織脫(tuo)碳嚴重(zhong)，由內(nei)表面向管壁(bi)厚度方向形(xing)成大量(liang)的(de)(de)晶間裂紋，具(ju)有(you)典(dian)型的(de)(de)長(chang)(chang)期過熱和(he)氫腐蝕(shi)特征(zheng)。管壁(bi)在長(chang)(chang)期高溫和(he)氫腐蝕(shi)影(ying)響下，管壁(bi)表層(ceng)組織逐(zhu)漸脫(tuo)碳，并生成氧化鐵(tie)垢(gou)(gou)(gou)層(ceng)，使管壁(bi)減薄，同時形(xing)成的(de)(de)垢(gou)(gou)(gou)層(ceng)會使得鍋爐傳熱性能變差，一(yi)般垢(gou)(gou)(gou)層(ceng)的(de)(de)導(dao)熱系數只有(you)鋼鐵(tie)導(dao)熱系數的(de)(de)10%，也就(jiu)是說，1mm的結垢附著在管(guan)壁上時(shi)，相當于(yu)對鋼管(guan)加厚(hou)了幾毫米(mi)甚至更多(duo)，大大增加了不銹(xiu)鋼鍋(guo)爐管的熱阻。隨(sui)(sui)著水(shui)(shui)垢的不(bu)斷增厚，水(shui)(shui)流受(shou)阻，管(guan)壁得(de)不(bu)到有效(xiao)冷卻，使得(de)管(guan)壁長期(qi)處(chu)在過(guo)熱的狀(zhuang)態(tai)下，會使得(de)鋼管(guan)的抗拉強度不(bu)斷下降，隨(sui)(sui)著管(guan)壁溫度升高，組織(zhi)球化(hua)嚴重，甚至出現球狀(zhuang)石墨，不銹鋼(gang)鍋爐管長期處于超溫狀(zhuang)態，沿管軸向產生(sheng)裂(lie)紋。

4）失效管中(zhong)C類非金屬夾雜物含量較(jiao)(jiao)高(gao)且分布較(jiao)(jiao)廣，這有(you)利(li)于點(dian)腐蝕的(de)形成和裂紋(wen)的(de)擴展，從而影響管件的(de)使(shi)用(yong)壽命，對不銹鋼(gang)鍋爐管失效起到(dao)促(cu)進作用。

4結論

綜上所述(shu)，本次失效的(de)發生是由2種形式失(shi)效的鋼管引起的。第1種是短時高(gao)(gao)溫(wen)失效(xiao)，管壁在(zai)高(gao)(gao)溫(wen)和(he)腐蝕的(de)作用下發生氧化(hua)反應(ying)，生成(cheng)較(jiao)(jiao)厚的(de)氧化(hua)垢(gou)層。當停爐(lu)或負荷變化(hua)較(jiao)(jiao)大時，管壁上的(de)氧化(hua)垢(gou)層容易發生剝落，并(bing)在(zai)某處聚集，引起水流不暢或阻塞(sai)，使阻塞(sai)部位(wei)或脫落減薄的(de)鋼(gang)管短時升(sheng)溫(wen)劇烈(lie)，發生短期(qi)過熱(re)爆(bao)管，這是本(ben)次失效(xiao)最(zui)主要(yao)的(de)原因。第(di)2種是長(chang)(chang)時高溫(wen)失(shi)效(xiao)(xiao)，該(gai)管道(dao)在長(chang)(chang)期(qi)過熱和氫(qing)腐(fu)蝕的(de)作用下(xia)，產(chan)(chan)生沿軸向(xiang)龜裂(lie)紋(wen)，引發失(shi)效(xiao)(xiao)。氫(qing)腐(fu)蝕的(de)產(chan)(chan)生是由(you)于(yu)垢(gou)下(xia)局部區(qu)域酸化并析氫(qing)，產(chan)(chan)生的(de)氫(qing)由(you)于(yu)結垢(gou)的(de)阻礙(ai)無法向(xiang)外擴散(san)轉而向(xiang)材料內部滲入。氫(qing)腐(fu)蝕發生后，鋼管發生管壁腐(fu)蝕，形(xing)成大量的(de)晶界裂(lie)紋(wen)，在高溫(wen)和氫(qing)蝕的(de)作用下(xia)，使(shi)組織嚴(yan)重脫(tuo)碳，降低鋼管的(de)使(shi)用壽(shou)命。根據對產(chan)(chan)生龜裂(lie)紋(wen)管件的(de)分析，該(gai)批不銹鋼鍋(guo)爐管服役時(shi)間不長，大(da)部(bu)分(fen)腐(fu)蝕坑和裂紋(wen)未穿(chuan)透(tou)整個管(guan)壁(bi)，只有部(bu)分(fen)裂紋(wen)穿(chuan)透(tou)管(guan)壁(bi)造成滲(shen)水，為本(ben)次失效的次要原(yuan)因。