12Cr2MoWVTiB鋼管穿孔失效分析

張彥文 蘇明國(guó) 陶 勇

(1.武鋼技術(shù)中心 湖北 武漢：430080；2.武漢市德華測(cè)試工程有限公司 湖北 武漢：430013；3.武鋼質(zhì)檢中心 湖北 武漢：430080)

12Cr2MoWVTiB鋼管運(yùn)行過(guò)程中早期穿孔失效，鋼管直徑為φ38(外徑38mm，壁厚4.5mm)，穿孔孔隙尺寸約10mm×10mm)。據(jù)介紹，失效鋼管為干熄焦鍋爐二過(guò)水管，主蒸汽壓力為10.5MPa，外部煙氣溫度850-960℃，內(nèi)部過(guò)熱蒸汽溫度540-550℃；管內(nèi)蒸汽品質(zhì)：pH值9.4-10.5，二氧化硅含量：<0.02mg/L，全鐵<0.02mg/L，鈉含量<0.015mg/L。管道破洞有4處(送樣管僅1處)，破口處呈腐蝕凹陷狀態(tài)。為了弄清鋼管穿孔失效原因，采用宏觀及微觀分析方法，對(duì)失效鋼管進(jìn)行了相關(guān)分析。

1 宏觀觀察

穿孔試樣宏觀形貌見(jiàn)圖1(a)，孔洞處無(wú)明顯變形，孔洞邊緣極薄。切開(kāi)后觀察穿孔處內(nèi)表面，可見(jiàn)該部位呈漏斗狀，管壁明顯比正常部位薄，減薄方向是由內(nèi)向外，見(jiàn)圖1(b)。

圖1 試樣面宏觀形貌

2 化學(xué)成分分析

將鋼管除去表面氧化層后，鉆取屑樣做化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。基體成分均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。

表1 化學(xué)成分分析(Wt%)

3 力學(xué)分析

在遠(yuǎn)離鋼管破損處取鋼管拉伸試樣，做力學(xué)性能分析，結(jié)果見(jiàn)表2，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 力學(xué)性能

4 掃描電鏡分析

試樣經(jīng)酒精超聲清洗后，用Quanta FEG 450掃描電鏡及能譜儀分析。截取穿孔部位，掃描電鏡下低倍形貌見(jiàn)圖2，穿孔周圍減薄明顯，局部放大可見(jiàn)一些疏松孔洞，見(jiàn)圖3，這是高溫蠕變的典型特征。管壁內(nèi)表面已被氧化，能譜分析見(jiàn)圖4，主要成分為鐵的氧化物，并含有少量的S、Cl等元素。內(nèi)表>面局部氧化皮剝落部位，可見(jiàn)腐蝕坑存在，其形貌及能譜見(jiàn)圖5，S、Cl元素峰明顯。說(shuō)明管內(nèi)高溫介質(zhì)具有腐蝕性。

圖2 穿孔低倍形貌

圖3 內(nèi)側(cè)孔洞

圖4 內(nèi)壁能譜分析

圖5 腐蝕坑能譜分析

截取穿孔部位，制作截面試樣，拋光后觀察，亦可見(jiàn)穿孔部位明顯減薄，最薄處不足200μm，見(jiàn)圖6，鋼管外表面覆蓋有抗氧化涂層。遠(yuǎn)離斷口部位鋼管厚度約6mm，見(jiàn)圖7。穿孔附近鋼管內(nèi)壁截面不同部位能譜分析見(jiàn)圖8、圖9，主要成分為氧化鐵，局部可探測(cè)到Cl元素峰。

圖6 穿孔界面形貌

圖7 正常截面形貌

圖8 內(nèi)壁截面能譜分析(部位a)

拋光面經(jīng)試劑浸蝕后顯示出組織，掃描電鏡下高倍觀察，可見(jiàn)穿孔附近組織(見(jiàn)圖10)及正常部位組織(見(jiàn)圖11)中碳化物多數(shù)聚集在晶界，能譜分析見(jiàn)圖12，Cr、Mo元素含量較高，說(shuō)明為Cr、Mo元素碳化物。

圖10 穿孔部位高倍組織

圖11 正常部位高倍組織

圖12 穿孔部位碳化物能譜分析

5 金相分析

金相顯微鏡觀察組織，試樣穿孔附近(見(jiàn)圖13)及遠(yuǎn)離穿孔部位組織(見(jiàn)圖14)均為退化了的塊狀貝氏體+碳化物。上述所有金相磨面上均未見(jiàn)異常夾雜物分布。

圖13 穿孔部位組織

圖14 正常部位組織

6 討論

穿孔部位可見(jiàn)明顯疏松孔洞，這是高溫蠕變的典型特征。鋼管外壁抗氧化涂層完好，只是內(nèi)壁氧化減薄嚴(yán)重，氧化鐵與鋼管內(nèi)側(cè)基體界面氧化產(chǎn)物中S、Cl元素峰明顯，說(shuō)明管內(nèi)介質(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕性。管壁上沉積的氯鹽在高溫有氧條件下，會(huì)與表面的氧化物膜發(fā)生反應(yīng)，釋放出腐蝕性強(qiáng)的Cl2。

4FeCl2+3O2=2Fe2O3+4Cl2

氯氣在金屬氯化反應(yīng)中消耗，又在氯化物氧化過(guò)程中釋放，并以催化劑的形式加速金屬氧化，形成自催化氧化。因此，生成的氯氣對(duì)合金的腐蝕是自持性的[1-2]。鋼管在較高溫度下運(yùn)行，長(zhǎng)期受管內(nèi)腐蝕性介質(zhì)沖蝕，碳化物發(fā)生轉(zhuǎn)變，一些高Cr碳化物逐漸富集于晶界，降低了基體Cr含量，基體抗腐蝕性能進(jìn)一步下降。而且，長(zhǎng)期高溫運(yùn)行，穿孔附近組織已經(jīng)發(fā)生明顯退化，雖然屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度仍滿足要求，但一定的組織退化和減薄，會(huì)使鋼的蠕變極限和持久強(qiáng)度降低[3-4]。鋼管內(nèi)側(cè)不斷氧化沖刷，就使有效厚度不斷減小，直至穿孔失效。由于該材料強(qiáng)度較高，沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)，所以穿孔失效部位無(wú)明顯塑性變形。

7 結(jié)論

試樣在高溫高壓下運(yùn)行，長(zhǎng)期受管內(nèi)腐蝕性介質(zhì)沖蝕，局部?jī)?nèi)壁不斷減薄，減薄部位出現(xiàn)蠕變孔洞，減薄及蠕變孔洞不斷發(fā)展，局部管壁不足以承受管內(nèi)壓力，最終導(dǎo)致穿孔失效?？赏ㄟ^(guò)提高管內(nèi)過(guò)熱蒸汽純凈度，以減少對(duì)管壁的腐蝕等途徑加以解決。