導(dǎo)熱管的應(yīng)力腐蝕開裂失效分析

楊海濤，嚴(yán)彪＊

同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海 201804

1 序言

某鍋爐用導(dǎo)熱管在使用一段時(shí)間后發(fā)生開裂。該管的材料牌號為15CrMoG，規(guī)格為φ38mm，開裂比例約20%。圖1所示為失效換熱管的實(shí)物照片，顯示開裂位置均位于管件彎管段的側(cè)面。

圖1 開裂的導(dǎo)熱管

2 測試和分析

2.1 化學(xué)成分分析

采用火花直讀光譜(O E S)進(jìn)行了化學(xué)成分分析，其測試結(jié)果見表1。由表可知，該失效導(dǎo)管的化學(xué)成分滿足GB/T 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》的技術(shù)要求[1]。

表1 失效導(dǎo)熱管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 硬度測試

硬度試樣分別取自失效樣的彎管段和直管段，采用顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行了硬度測試，測試結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，直管段的硬度平均值為153 HV0.3，彎管段外側(cè)硬度值高達(dá)218 HV0.3，彎管段內(nèi)側(cè)硬度為204 HV0.3，彎管段側(cè)面的硬度為188.3 HV0.3。彎管段的硬度明顯升高，這很可能與彎管處的冷加工硬化有關(guān)。

表2 硬度測試結(jié)果 （HV0.3）

2.3 拉伸試驗(yàn)

在失效導(dǎo)熱管直管段制取拉伸試樣，測試結(jié)果見表3。可知，導(dǎo)熱管的拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)G B 5310—2008中牌號15CrMoG的性能要求[1]。

表3 拉伸試驗(yàn)測試結(jié)果

2.4 金相測試

在失效導(dǎo)熱管裂紋附近制取金相試樣，分別在拋光態(tài)和腐蝕態(tài)下觀測裂紋形貌和微觀組織。圖2和圖3顯示主裂紋貫穿整個(gè)管壁，主裂紋兩側(cè)均存在一些二次裂紋，且主要沿晶界擴(kuò)展，主裂紋內(nèi)還可觀測到一些腐蝕產(chǎn)物。圖4顯示主裂紋附近的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體未見明顯球化，說明該失效導(dǎo)熱管服役過程中無超溫，同時(shí)可觀測裂紋內(nèi)存在較多的灰色氧化物。根據(jù)GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》對失效導(dǎo)熱管進(jìn)行平均晶粒度評級[2]，其結(jié)果為8.5級（見圖5），滿足相關(guān)要求[1]。

圖2 裂紋的宏觀形貌

圖4 裂紋附近的金相組織（鐵素體+珠光體）

圖5 晶粒度評級（8.5級）

2.5 斷口觀察與分析

沿著裂紋將斷口打開，先采用體視顯微鏡進(jìn)行整體觀察，發(fā)現(xiàn)斷口表面平整且被紅棕色的銹跡所覆蓋，未見明顯塑性變形，為脆性開裂（見圖6）。對斷口除銹后采用掃描電鏡進(jìn)行微觀觀察，圖7～圖9為斷口不同區(qū)域的典型微觀形貌，顯示斷口除銹后主要表現(xiàn)出沿晶斷裂形貌，但是斷口仍存在一些腐蝕產(chǎn)物或腐蝕殘留物。

圖6 沿裂紋打開后斷口的整體形貌

圖7 斷口A區(qū)典型微觀形貌

圖8 斷口B區(qū)典型微觀形貌

圖9 斷口C區(qū)典型微觀形貌

2.6 能譜測試

為了確定沿裂紋打開后斷口表面腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分，對試樣進(jìn)行了能譜（EDS）觀測（見圖10），結(jié)果見表4。由表4的結(jié)果可知，顯示該腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，且檢測到較多的Na、Ca堿性較活潑元素成分。

圖10 能譜測試位置

表4 沿裂紋打開后斷口表面能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 討論

由上述各項(xiàng)測試可知，該失效導(dǎo)熱管的化學(xué)成分、力學(xué)性能和晶粒度等均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求，金相組織為鐵素體+珠光體，無球化傾向，運(yùn)行時(shí)管道無超溫現(xiàn)象。

通過硬度測試發(fā)現(xiàn)，失效導(dǎo)熱管直管段的心部硬度平均值為153HV0.3，彎管段的心部硬度平均值高達(dá)193HV0.3，彎管段硬度明顯高于直管段。進(jìn)一步測試發(fā)現(xiàn)，彎管段外側(cè)的硬度平均值高達(dá)218HV0.3，內(nèi)側(cè)的硬度平均值為204HV0.3，側(cè)面的硬度平均值為188.3HV0.3。由于冷加工變形且無后續(xù)熱處理，管在彎制過程中，彎曲管段會(huì)經(jīng)歷了外側(cè)管壁減薄、內(nèi)側(cè)管壁增厚及由圓變橢圓的過程，因此彎曲部位的殘余應(yīng)力會(huì)較大。這會(huì)導(dǎo)致彎曲段的硬度明顯高于未變形直管段的硬度，尤其是明顯減薄的管外壁硬度最高。通過掃描電鏡和能譜對斷口表面進(jìn)行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)斷口主要為沿晶脆性斷口，斷口表面存在腐蝕產(chǎn)物和二次裂紋，腐蝕產(chǎn)物里殘留有較多的Na、Ca等活潑堿性元素，斷口處貫穿性主裂紋裂紋兩側(cè)存在較多沿晶擴(kuò)展的二次裂紋，裂紋分叉呈根須狀，且裂紋內(nèi)均充滿了腐蝕產(chǎn)物，因此判斷該導(dǎo)熱管的開裂與應(yīng)力腐蝕有關(guān)。

應(yīng)力腐蝕是指某種金屬在應(yīng)力和特定的腐蝕條件下共同作用產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，應(yīng)力和腐蝕環(huán)境相互促進(jìn)裂紋的生成和擴(kuò)展，兩者缺一不可，且即使腐蝕條件并不惡劣，應(yīng)力腐蝕也有可能發(fā)生[3]。應(yīng)力腐蝕的主要影響因素有：應(yīng)力因素和腐蝕介質(zhì)因素等。從應(yīng)力因素來考慮，該導(dǎo)熱管彎管段由于冷加工硬化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大，再加上工作時(shí)的外應(yīng)力等多種應(yīng)力疊加，所以為應(yīng)力腐蝕開裂提供了應(yīng)力條件。從腐蝕介質(zhì)因素來看，該導(dǎo)熱管處于高溫高濕的使用環(huán)境，且在管內(nèi)外及裂紋處都發(fā)現(xiàn)了較活潑的堿性元素，這些都說明其所處的環(huán)境較為惡劣，這為該管道提供了腐蝕條件。綜合以上分析，該導(dǎo)熱管的開裂主要由應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的。

在高溫水蒸氣的腐蝕條件下以及在彎管本身伴隨的強(qiáng)殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力的共同作用下，導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，并最終導(dǎo)致了導(dǎo)熱管的開裂失效。

4 結(jié)論及建議

高溫水蒸氣腐蝕條件下，彎管段的殘余應(yīng)力疊加工作應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致了彎管段應(yīng)力腐蝕開裂。

建議導(dǎo)熱管的彎管段在冷加工后進(jìn)行退火處理降低其殘余應(yīng)力，并提高安裝精度，盡量減小工作應(yīng)力，這樣才能有效地避免應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。