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不銹鋼鍋爐管破裂失效分析

發(fā)布時(shí)間：2021-06-17 08:52:43 丨 瀏覽次數(shù)：

特定鍋爐發(fā)生不銹鋼鍋爐管破裂錯(cuò)誤。本文使用金相顯微鏡、直讀光譜儀、掃描電子顯微鏡等分析失敗的管道。結(jié)果表明，失效鋼管在高溫高壓下被氫氣腐蝕，腐蝕鋼管內(nèi)壁。它與大量晶間裂紋同時(shí)氧化，反應(yīng)產(chǎn)生較厚的氧化皮層。當(dāng)停爐或負(fù)荷變化較大時(shí)，管壁氧化皮層剝落并堆積在某些地方，造成水流不暢或堵塞，使堵塞部位的鋼管發(fā)熱。管道在短時(shí)間內(nèi)因快速過熱而破裂。

工業(yè)鍋爐的受熱面管由幾根管子組成，在工業(yè)鍋爐的運(yùn)行中起著非常重要的作用。水或水蒸氣的混合物流經(jīng)受熱面管，煙氣、熱輻射等各種熱量通過對流換熱將熱量傳遞給管內(nèi)介質(zhì)。不銹鋼鍋爐管在高溫高壓下長期工作，其失效機(jī)理包括長期過熱、短期過熱、磨損、煙氣側(cè)氧腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、熱疲勞、高溫.腐蝕和質(zhì)量控制錯(cuò)誤。 20G鋼管是最常用的不銹鋼鍋爐管鋼。該鋼含碳量低，塑性和韌性好，冷熱成型和焊接性能好。故障分析和預(yù)防有很大的研究空間。

1. 概述

1.1 故障條件概述

廠用鍋爐管道故障鍋爐材質(zhì)為20G鋼管，規(guī)格62mm左右，管子已使用4年，維修20天后，開啟鍋爐，壓力為爐前壓力正常，開爐3天后，多管破裂故障和破裂均面臨火災(zāi)。破裂口有兩種形狀，一種是喇叭口，裂縫有明顯的膨脹，另一種是無明顯膨脹和殼狀裂縫，后者大部分沒有裂縫。管壁。破裂前，不銹鋼鍋爐管外燃溫度約為900，內(nèi)溫約為270，壓力為5.0MPa。

1.2 樣品條件和宏觀形貌

取爆裂失敗的不銹鋼鍋爐管的兩部分，分別記為1和2。管子部分：管子直管部分直徑約61.5mm，破裂孔直徑明顯較粗，鼓包直徑67.7mm，管壁厚薄不均，最厚部分5.2 mm，最薄處2.4mm，破裂孔縱向分叉張開，長33.6mm。最大寬度為7.8 毫米。爆破口管壁呈葉片狀逐漸減薄，厚度約0.64mm，減薄后的管壁外表面氧化皮有明顯的縱向裂紋。領(lǐng)域；破裂口內(nèi)壁呈暗紅色，有明顯的氧化層。爆發(fā)的宏觀外觀如圖1（a）所示。

2管段：該管直管段直徑約62mm，火面內(nèi)壁高度氧化結(jié)垢，顏色呈棕紅色、暗紅色。剝?nèi)パ趸雍螅l(fā)現(xiàn)數(shù)個(gè)腐蝕坑，氧化皮層厚度為0.51.8mm。房面外壁明顯氧化，平行于管道軸向的裂紋多，裂紋邊緣無光澤，外觀等于樹皮零。宏觀外觀如圖1所示。 (b) 和圖1 (c)。

2 分析方法及結(jié)果

2.1 化學(xué)成分檢測

分析了兩個(gè)管段的化學(xué)成分和兩個(gè)管段內(nèi)壁剝落的氧化皮層。兩個(gè)管段均采用直讀光譜儀進(jìn)行分析，被檢管件元件的檢驗(yàn)結(jié)果均符合GB5310-2008中20G鋼管的化學(xué)成分要求，如表1所示。對兩根管道內(nèi)壁剝落的氧化皮層的濕化學(xué)成分進(jìn)行分析，氧化鐵皮層的主要成分為氧化鐵、氧化鈣和氧化鎂化合物，測試結(jié)果見表2 .

2.2 金相分析

2.2.1 非金屬夾雜物

對失效管內(nèi)非金屬夾雜物的分析表明，硅酸鹽夾雜物分布廣泛，多視場，含量高。如圖，形狀多為連續(xù)排列，最長的可達(dá)300um左右。 2. 非金屬夾雜物的存在通過破壞基體的連續(xù)性有助于裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。當(dāng)基體被腐蝕時(shí)，非金屬夾雜物與基體結(jié)合的部分首先被腐蝕，然后界面的局部腐蝕延伸到基體中，引起點(diǎn)蝕，降低了力學(xué)性能。它使材料容易斷裂。

2.2.2 微觀結(jié)構(gòu)

1管段斷口形狀見如圖3(a)，可見管壁邊緣很薄，顯微組織沿方向拉長變形。顯微組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化明顯，根據(jù)DL/T674-1999 《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)》，球化程度為45級，在晶界析出碳化物。圖3(b)。

2 管壁有多條裂縫，呈網(wǎng)狀分布。主裂紋由小裂紋組成，同時(shí)裂紋沿晶粒生長，是典型的腐蝕裂紋形狀。圖4(a)。這些細(xì)小裂紋的存在破壞了晶粒間的緊密關(guān)系，降低了材料的強(qiáng)度和塑性，在外力作用下，極易發(fā)生脆性斷裂。觀察裂紋的顯微組織，組織發(fā)生高溫氧化脫碳，如圖4(a)所示，大部分或全部珍珠巖從組織中消失，顯微組織主要是鐵素體晶粒。雖然珍珠巖保留在組織中，但在珍珠巖和球狀石墨中發(fā)生了嚴(yán)重的球化，球狀水平達(dá)到了5 級，如圖4（b）所示。由于結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，第二管段具有氫腐蝕和長期過熱的特點(diǎn)。

2'管段殼狀裂紋的SEM分析表明，裂紋內(nèi)壁光滑，存在大量腐蝕坑b，如圖5（a）所示。破壞是典型的巖石。糖狀晶間斷裂，為脆性斷裂，如圖5(b)所示。

3 故障原因分析討論

1）參照GB5310-2008標(biāo)準(zhǔn)20G配置要求，失效管段化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）根據(jù)第1段爆裂口宏觀形貌和金相分析，爆裂口變寬，管徑明顯膨脹，管壁逐漸變薄，爆裂處具有延展性。開裂、高溫瞬間開裂功能。在破裂球的顯微組織中，珍珠巖嚴(yán)重球化，塑性變形使破裂球內(nèi)的管壁產(chǎn)生細(xì)小的裂紋，微觀結(jié)構(gòu)沿變形方向伸展。可以看出，破裂口在短時(shí)間內(nèi)接近相變溫度Ac1，高溫和過熱導(dǎo)致該處管壁強(qiáng)度急劇下降。在內(nèi)部壓力的作用下，產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，逐漸擴(kuò)大管徑，縮小管壁。當(dāng)薄管壁的厚度變得比它所能承受的強(qiáng)度極限更薄時(shí)，管子就會破裂。

3）根據(jù)2'管段宏觀形貌、管子氧化皮層分析、金相組織和斷口SEM分析，2'管段氧化皮層和腐蝕坑嚴(yán)重。管壁組織從內(nèi)壁、從內(nèi)表面到管壁嚴(yán)重脫碳。沿厚度方向形成大量晶間裂紋，具有典型的長期過熱和氫腐蝕特征。在長期高溫和氫腐蝕的影響下，管壁表面組織逐漸脫碳，形成氧化鐵皮層，使管壁變薄，同時(shí)形成的氧化皮層變質(zhì)鍋爐的傳熱性能。導(dǎo)熱系數(shù)僅為鋼的10%。換句話說，1毫米的刻度相當(dāng)于將鋼管貼在管壁上時(shí)加厚。顯著增加不銹鋼鍋爐管的熱阻超過幾毫米。隨著水垢不斷增厚，水流受阻，管壁得不到有效冷卻，使管壁長期處于過熱狀態(tài)，繼續(xù)保持鋼管的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)管壁溫度升高時(shí)，球體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，出現(xiàn)球狀石墨，使不銹鋼鍋爐管長期過熱而出現(xiàn)管軸向裂紋。

4）失效管內(nèi)C型非金屬夾雜物含量高、分布廣，有利于形成點(diǎn)蝕和擴(kuò)大裂紋，從而影響管件使用壽命，造成不銹鍋爐管失效。

4。結(jié)論

綜上所述，這種故障是由兩種鋼管故障引起的。第一類是短期高溫失效，管壁在高溫和腐蝕作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，形成較厚的氧化皮層。當(dāng)停爐或負(fù)荷變化較大時(shí)，管壁上的一層氧化皮會剝落并在某些部位堆積，造成水流不暢或堵塞，造成堵塞，或掉鋼或變薄。管子過熱，短時(shí)間迅速升溫，這是造成故障的主要原因。第二種是長期高溫失效，在長期過熱和氫腐蝕的影響下，使管道軸向開裂而引起失效。氫腐蝕是由水垢下局部酸化和析氫引起的，產(chǎn)生的氫由于水垢的擾動而不能擴(kuò)散和滲透到材料中。氫腐蝕后，鋼管壁被腐蝕，大量出現(xiàn)晶間裂紋，在高溫和氫腐蝕的作用下，組織嚴(yán)重脫碳，縮短鋼管的使用壽命。對引起龜裂的管件的分析表明，這種不銹鋼鍋爐管布置已經(jīng)很久沒有使用了。大部分腐蝕坑和裂紋沒有穿透整個(gè)管壁，裂紋穿透管壁泄漏，所以這是次要故障。