20G鋼鍋爐煙道管開裂原因

胡 曼, 倪文嘯, 薛俊峰, 王 棟, 王立濤

(日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司, 日照 276806)

國內(nèi)無縫鋼管主要采用熱軋管生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)，熱軋管生產(chǎn)工藝主要有兩種：二輥斜軋穿孔-連軋-張力減徑生產(chǎn)工藝；斜軋穿孔-斜軋(三輥軋管機(jī))-減定徑生產(chǎn)工藝[1]。20G鋼無縫鋼管主要應(yīng)用于高壓和超高壓鍋爐的過熱器管、再熱器管、導(dǎo)氣管、主蒸汽管等。20G鋼鍋爐煙道管的工作壓力一般在9.8 MPa以上，工作溫度為800～1 000 ℃，鋼管在高溫?zé)煔夂退魵獾墓餐饔孟聲l(fā)生氧化和腐蝕，因此要求鋼管具有較高的持久強(qiáng)度及較好的抗氧化腐蝕性能，并有良好的組織穩(wěn)定性。某廠所用的20G鍋爐煙道管在使用過程中發(fā)生開裂，筆者采用化學(xué)成分分析、金相檢驗、力學(xué)性能測試、掃描電鏡及能譜分析等方法，分析了該鍋爐煙道管發(fā)生開裂的原因。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂20G鋼鍋爐煙道管的宏觀形貌如圖1所示，可見裂口位置明顯脹粗，裂紋沿縱向延伸[2]，裂紋長度約為10 mm，寬度約為2 mm。

圖1 開裂20G鋼鍋爐煙道管的宏觀形貌

1.2 力學(xué)性能測試

在開裂鍋爐煙道管上取樣，對其進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表1所示。由表1可知，20G鋼鍋爐煙道管各項力學(xué)性能均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

表1 20G鋼鍋爐煙道管的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.3 化學(xué)成分分析

在開裂鍋爐煙道管上取樣，對其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，20G鋼鍋爐煙道管的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017的要求。

表2 20G鋼鍋爐煙道管的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.4 夾雜物檢驗

在開裂鍋爐煙道管上沿與裂紋平行的截面取樣，依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》對試樣進(jìn)行夾雜物評級，結(jié)果如表3所示。由表3可知，試樣的非金屬夾雜物等級為球狀氧化物類細(xì)系0.5級。

表3 20G鋼鍋爐煙道管中夾雜物的評級結(jié)果 級

1.5 金相檢驗

在開裂鍋爐煙道管上取樣進(jìn)行金相檢驗，取樣位置如圖1所示，金相檢驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：開裂處存在一條貫穿裂紋，裂紋周圍有氧化物，且未發(fā)現(xiàn)大顆粒夾雜及卷渣；腐蝕后可見裂紋周圍組織存在脫碳現(xiàn)象，裂紋周圍局部組織晶界存在氧化現(xiàn)象；裂紋周圍及靠近裂紋位置均存在浮凸的棕黃色元素富集相，并且存在嚴(yán)重的魏氏組織，魏氏組織評級為3.5級；基體組織為鐵素體+珠光體。

圖2 20G鋼鍋爐煙道管的微觀形貌

1.6 能譜分析

在裂紋周圍及靠近裂紋位置的棕黃色元素富集相和基體處取樣，并對其進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖3和表4所示。由圖3和表4可知：棕黃色元素富集相呈浮凸?fàn)?，富集相?nèi)含有Cu，F(xiàn)e，C元素和少量的Mn，O元素；基體處僅含有Fe，C元素。

圖3 元素富集相和基體處能譜分析位置及能譜圖

表4 元素富集相和基體處的能譜分析結(jié)果 %

2 綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知，開裂鍋爐煙道管的裂紋周圍組織存在明顯的脫碳現(xiàn)象，局部晶界存在高溫氧化特征，并且裂紋周圍存在嚴(yán)重的魏氏組織，其級別達(dá)到了3.5級。未開裂位置的基體組織為鐵素體+珠光體，無魏氏組織，說明鍋爐煙道管開裂位置產(chǎn)生了嚴(yán)重的過熱情況。鍋爐煙道管中未開裂位置組織正常，僅開裂位置組織過熱，說明該過熱組織是在后續(xù)使用過程中產(chǎn)生的。鍋爐煙道管的工作溫度為800～1 000 ℃，內(nèi)部采用350 ℃水冷介質(zhì)，現(xiàn)場查看其開裂位置，發(fā)現(xiàn)該鍋爐煙道管應(yīng)該存在一段時間的斷水現(xiàn)象，具體時長無法確認(rèn)，原因可能是在斷水時，管道無法及時冷卻而存在高溫環(huán)境，導(dǎo)致該位置嚴(yán)重過熱，產(chǎn)生了魏氏組織。當(dāng)鋼中含碳量約為0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時，會有魏氏組織產(chǎn)生，而該開裂鍋爐煙道管的含碳量為0.19%，易產(chǎn)生魏氏組織[3]。魏氏組織是一種過熱缺陷，其會降低鋼的塑性和韌性，提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度[4-5]，導(dǎo)致管道發(fā)生開裂。

裂紋周圍及靠近裂紋位置均存在浮凸的棕黃色元素富集相，這種富集相具有沿奧氏體晶界分布的特征，富集相內(nèi)含有75%～85%的Cu元素。該開裂鍋爐煙道管的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017的要求，因此Cu元素的富集應(yīng)該發(fā)生在該開裂鍋爐煙道管的使用過程中，因過熱造成了Cu元素富集。加熱氧化對Cu元素的富集分布影響較大，加熱氧化越嚴(yán)重，Cu元素越容易向基體內(nèi)部滲透并擴(kuò)展[6]，形成沿晶界分布的Cu元素帶，晶界氧化嚴(yán)重破壞了基體的連續(xù)性，使其高溫強(qiáng)度及韌性降低，最終導(dǎo)致管道開裂。

3 結(jié)語及建議

造成20G鋼鍋爐煙道管開裂的主要原因是：一段時間的斷水導(dǎo)致局部出現(xiàn)異常高溫環(huán)境，異常高溫環(huán)境造成嚴(yán)重過熱現(xiàn)象，使材料產(chǎn)生魏氏組織，從而降低了鋼的塑性和韌性；同時過熱還造成了Cu元素在晶界富集，使晶界氧化，最終使管道發(fā)生開裂。

建議：加強(qiáng)對水處理和水質(zhì)監(jiān)測的管理，增加除氧和除鐵設(shè)備，避免因長時間水垢累積而造成的鍋爐管堵塞斷水；充分利用好停爐檢修階段，請專業(yè)人員對鍋爐管進(jìn)行除垢清灰、維修保養(yǎng)；加強(qiáng)監(jiān)督，在大修、中修、小修、停爐檢修中，除了對常規(guī)項目進(jìn)行檢查，還需要對鍋爐管道進(jìn)行無損檢測，觀察其有無堵塞情況，及時記錄并處理。