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:TG.2文献标志码:B文章编号:-()09--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~℃,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/T—《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/T—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/T—《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~℃,内部采用℃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/T—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:
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[5]李智超,赵立东,鲍泽斌.20g钢魏氏组织韧性及微观断口形貌研究[J].物理测试,,21(5):7-10.
[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,,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)
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