不銹鋼鍋爐管爆管失效分析

某鍋爐發(fā)生不銹鋼鍋爐管爆管失效。文中利用金相顯微鏡、直讀光譜儀，掃描電鏡等對(duì)失效管道進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：失效鋼管是在高溫高壓下發(fā)生氫腐蝕，使鋼管內(nèi)壁發(fā)生腐蝕，形成大量的晶界裂紋，同時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成較厚的氧化垢層。當(dāng)停爐或負(fù)荷變化較大時(shí)，管壁上的氧化垢層容易發(fā)生剝落，并在某處聚集，引起水流不暢或阻塞，使阻塞部位的鋼管短時(shí)升溫劇烈，發(fā)生過熱爆管。

工業(yè)鍋爐受熱面管由多根管道組成，在工業(yè)鍋爐的運(yùn)作中起著十分重要的作用。水或者水汽混合物在受熱面管內(nèi)流過，煙氣及熱輻射等各種熱量以對(duì)流傳熱的方式將熱量傳遞給管內(nèi)介質(zhì)。不銹鋼鍋爐管道長(zhǎng)期在高溫、高壓下運(yùn)行，其失效機(jī)理包括長(zhǎng)期過熱、短期過熱、磨損、煙氣側(cè)氧腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、熱疲勞、高溫腐蝕和質(zhì)量控制失誤等。20G鋼管是最為常用不銹鋼鍋爐管道用鋼，該鋼含碳量較低，有較佳塑性和韌性，其冷熱成型和焊接性能良好，其失效分析和預(yù)防具有很大的研究空間。

1概述

1.1失效情況概述

某廠鍋爐爐膛內(nèi)管道失效鍋爐材質(zhì)為20G鋼管，規(guī)格約為62mm，管道服役4年，鍋爐經(jīng)檢修20天后點(diǎn)爐，點(diǎn)爐前打壓正常，點(diǎn)爐后3天發(fā)生多管爆裂失效，爆裂口均在向火面。爆裂口存在兩種形貌，一種呈喇叭狀開口，裂口處明顯脹粗，另一種裂口無明顯脹粗，形貌為樹皮狀龜裂紋，且后者居多，部分龜裂紋未穿透管壁。爆裂前不銹鋼鍋爐管外部煙氣溫度900℃左右，內(nèi)部溫度約270℃，壓力5.0MPa。

1.2樣品情況和宏觀形貌

取爆裂失效不銹鋼鍋爐管中兩段，記做1和2。1管段：該管直管段直徑約為61.5mm，爆裂口處管徑明顯脹粗，鼓脹處直徑為67.7mm；管壁厚度不均，最厚處為5.2mm，最薄處2.4mm；爆裂口沿縱向開裂，呈喇叭狀，長(zhǎng)33.6mm，最大寬度7.8mm；爆裂口管壁逐漸減薄呈刀刃狀，刃口厚度約為0.64mm，減薄處管壁外表面氧化皮有明顯縱向裂紋；爆裂口內(nèi)壁呈暗紅色，有明顯氧化層。爆裂口宏觀形貌見圖1（a）。

2管段：該管直管段直徑約為62mm，向火面內(nèi)壁氧化結(jié)垢較嚴(yán)重，呈棕紅色和暗紅色，剝落垢層后發(fā)現(xiàn)有多處腐蝕圓坑，氧化結(jié)垢層厚度在0.5~1.8mm。向火面外壁氧化明顯，有眾多平行于管子軸向的裂紋，破口邊緣為鈍邊，形貌如樹皮狀0，宏觀形貌見圖1（b）和圖1（c）。

2分析方法與結(jié)果

2.1化學(xué)成分檢測(cè)

分別對(duì)兩個(gè)管段和2管段內(nèi)壁剝落氧化垢層進(jìn)行化學(xué)成分分析。兩管段試樣用直讀光譜儀進(jìn)行成分分析，被檢管件各元素成分檢驗(yàn)結(jié)果均符合GB5310-2008中20G鋼管的化學(xué)成分要求，見表1。對(duì)2管段內(nèi)壁剝落氧化垢層進(jìn)行濕法化學(xué)成分分析，檢驗(yàn)結(jié)果顯示，氧化垢層主要成分為鐵氧、鈣氧和鎂氧化合物，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.2金相分析

2.2.1非金屬夾雜物

在對(duì)失效管進(jìn)行非金屬夾雜物分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽類夾雜物分布較廣，存在多個(gè)視場(chǎng)且含量較高，形態(tài)多為連續(xù)排布，最長(zhǎng)的達(dá)到300um左右，見圖2。非金屬夾雜物的存在會(huì)破壞基體的連續(xù)性，利于裂紋的萌生和發(fā)展。在基體受到腐蝕時(shí)，非金屬夾雜物與基體結(jié)合的部位先受到腐蝕，然后界面處的局部腐蝕會(huì)向基體擴(kuò)展，從而造成點(diǎn)蝕，進(jìn)而降低材料的力學(xué)性能，使材料更容易斷裂。

2.2.2顯微組織

1管段破口處形貌如圖3（a）所示，可以看出管壁邊緣已經(jīng)變得很薄，且顯微組織形態(tài)沿破口方向拉長(zhǎng)變形；破口附近的顯微組織為鐵素體+珠光體，其中珠光體球化明顯，依據(jù)DL/T674-1999《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，球化級(jí)別為4級(jí)~5級(jí)，且晶界處有碳化物析出，見圖3（b）。

2管段管壁分布有多條裂紋，呈網(wǎng)狀分布，主裂紋由細(xì)小裂紋組成，同時(shí)裂紋沿晶擴(kuò)展，是典型的腐蝕裂紋形態(tài)，見圖4（a）。這些細(xì)小裂紋的存在，破壞了晶粒之間的緊密聯(lián)系，致使材料的強(qiáng)度和塑性降低，在外力的作用下，極易發(fā)生脆性斷裂。觀察裂紋處顯微組織發(fā)現(xiàn)，組織出現(xiàn)高溫氧化和脫碳現(xiàn)象，組織中珠光體大部分或全部消失，顯微組織主要是鐵素體晶粒，見圖4（a）；管壁中心處的組織中，雖然保留有珠光體，但珠光體已發(fā)生了嚴(yán)重的球化現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)球狀石墨，球化級(jí)別達(dá)到5級(jí)，見圖4（b）。從組織特征看，2管段有氫腐蝕和長(zhǎng)期過熱的特征。

對(duì)2’管段樹皮狀處裂紋進(jìn)行SEM分析，斷口內(nèi)壁平滑，存在大量腐蝕坑b，見圖5（a）；斷口為典型的冰糖狀沿晶斷裂，為脆性斷口見圖5（b）。

3失效原因分析與討論

1）參考GB5310-2008標(biāo)準(zhǔn)中20G的成分要求，失效管段化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）根據(jù)1管段爆裂口宏觀形貌和金相組織分析，爆裂口呈喇叭狀張開，管徑有明顯脹粗，管壁逐漸減薄呈刀刃狀，爆裂口為韌性斷裂，具有高溫瞬時(shí)開裂特征。爆裂口處的顯微組織中，珠光體球化嚴(yán)重；爆裂口處管壁出現(xiàn)因塑性變形產(chǎn)生的細(xì)小裂紋，顯微組織隨變形方向被拉長(zhǎng)。說明爆裂口處在較短時(shí)間內(nèi)受到接近相變溫度Ac1的高溫過熱，使該處管壁強(qiáng)度急劇下降，在內(nèi)部壓力作用下，產(chǎn)生切向拉應(yīng)力使管徑慢慢脹粗，管壁減薄，當(dāng)管壁厚度減薄超過其所能承受的強(qiáng)度極限后引發(fā)爆管。

3）根據(jù)2’管段宏觀形貌、管內(nèi)垢層分析、金相組織及斷口SEM分析，2’管段內(nèi)壁氧化垢層嚴(yán)重，內(nèi)壁出現(xiàn)腐蝕坑，管壁組織脫碳嚴(yán)重，由內(nèi)表面向管壁厚度方向形成大量的晶間裂紋，具有典型的長(zhǎng)期過熱和氫腐蝕特征。管壁在長(zhǎng)期高溫和氫腐蝕影響下，管壁表層組織逐漸脫碳，并生成氧化鐵垢層，使管壁減薄，同時(shí)形成的垢層會(huì)使得鍋爐傳熱性能變差，一般垢層的導(dǎo)熱系數(shù)只有鋼鐵導(dǎo)熱系數(shù)的10%，也就是說，1mm的結(jié)垢附著在管壁上時(shí)，相當(dāng)于對(duì)鋼管加厚了幾毫米甚至更多，大大增加了不銹鋼鍋爐管的熱阻。隨著水垢的不斷增厚，水流受阻，管壁得不到有效冷卻，使得管壁長(zhǎng)期處在過熱的狀態(tài)下，會(huì)使得鋼管的抗拉強(qiáng)度不斷下降，隨著管壁溫度升高，組織球化嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)球狀石墨，不銹鋼鍋爐管長(zhǎng)期處于超溫狀態(tài)，沿管軸向產(chǎn)生裂紋。

4）失效管中C類非金屬夾雜物含量較高且分布較廣，這有利于點(diǎn)腐蝕的形成和裂紋的擴(kuò)展，從而影響管件的使用壽命，對(duì)不銹鋼鍋爐管失效起到促進(jìn)作用。

4結(jié)論

綜上所述，本次失效的發(fā)生是由2種形式失效的鋼管引起的。第1種是短時(shí)高溫失效，管壁在高溫和腐蝕的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，生成較厚的氧化垢層。當(dāng)停爐或負(fù)荷變化較大時(shí)，管壁上的氧化垢層容易發(fā)生剝落，并在某處聚集，引起水流不暢或阻塞，使阻塞部位或脫落減薄的鋼管短時(shí)升溫劇烈，發(fā)生短期過熱爆管，這是本次失效最主要的原因。第2種是長(zhǎng)時(shí)高溫失效，該管道在長(zhǎng)期過熱和氫腐蝕的作用下，產(chǎn)生沿軸向龜裂紋，引發(fā)失效。氫腐蝕的產(chǎn)生是由于垢下局部區(qū)域酸化并析氫，產(chǎn)生的氫由于結(jié)垢的阻礙無法向外擴(kuò)散轉(zhuǎn)而向材料內(nèi)部滲入。氫腐蝕發(fā)生后，鋼管發(fā)生管壁腐蝕，形成大量的晶界裂紋，在高溫和氫蝕的作用下，使組織嚴(yán)重脫碳，降低鋼管的使用壽命。根據(jù)對(duì)產(chǎn)生龜裂紋管件的分析，該批不銹鋼鍋爐管服役時(shí)間不長(zhǎng)，大部分腐蝕坑和裂紋未穿透整個(gè)管壁，只有部分裂紋穿透管壁造成滲水，為本次失效的次要原因。