不銹鋼鍋爐管破裂失效分析

發布時間：2021-06-17 08:52:43 丨 瀏覽次數：

特定鍋爐發生不銹鋼鍋爐管破裂錯誤。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。結果表明，失效鋼管在高溫高壓下被氫氣腐蝕，腐蝕鋼管內壁。它與大量晶間裂紋同時氧化，反應產生較厚的氧化皮層。當停爐或負荷變化較大時，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熱。管道在短時間內因快速過熱而破裂。

工業鍋爐的受熱面管由幾根管子組成，在工業鍋爐的運行中起著非常重要的作用。水或水蒸氣的混合物流經受熱面管，煙氣、熱輻射等各種熱量通過對流換熱將熱量傳遞給管內介質。不銹鋼鍋爐管在高溫高壓下長期工作，其失效機理包括長期過熱、短期過熱、磨損、煙氣側氧腐蝕、應力腐蝕開裂、熱疲勞、高溫.腐蝕和質量控制錯誤。 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為20G鋼管，規格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。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。領域；破裂口內壁呈暗紅色，有明顯的氧化層。爆發的宏觀外觀如圖1（a）所示。

2管段：該管直管段直徑約62mm，火面內壁高度氧化結垢，顏色呈棕紅色、暗紅色。剝去氧化皮層后，發現數個腐蝕坑，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 分析方法及結果

2.1 化學成分檢測

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

2.2 金相分析

2.2.1 非金屬夾雜物

對失效管內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，形狀多為連續排列，最長的可達300um左右。 2. 非金屬夾雜物的存在通過破壞基體的連續性有助于裂紋的產生和發展。當基體被腐蝕時，非金屬夾雜物與基體結合的部分首先被腐蝕，然后界面的局部腐蝕延伸到基體中，引起點蝕，降低了力學性能。它使材料容易斷裂。

2.2.2 微觀結構

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DL/T674-1999 《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》，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，呈網狀分布。主裂紋由小裂紋組成，同時裂紋沿晶粒生長，是典型的腐蝕裂紋形狀。圖4(a)。這些細小裂紋的存在破壞了晶粒間的緊密關系，降低了材料的強度和塑性，在外力作用下，極易發生脆性斷裂。觀察裂紋的顯微組織，組織發生高溫氧化脫碳，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生了嚴重的球化，球狀水平達到了5 級，如圖4（b）所示。由于結構的性質，第二管段具有氫腐蝕和長期過熱的特點。

2'管段殼狀裂紋的SEM分析表明，裂紋內壁光滑，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標準20G配置要求，失效管段化學成分符合標準要求。

2）根據第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，珍珠巖嚴重球化，塑性變形使破裂球內的管壁產生細小的裂紋，微觀結構沿變形方向伸展?？梢钥闯?，破裂口在短時間內接近相變溫度Ac1，高溫和過熱導致該處管壁強度急劇下降。在內部壓力的作用下，產生切向拉應力，逐漸擴大管徑，縮小管壁。當薄管壁的厚度變得比它所能承受的強度極限更薄時，管子就會破裂。

3）根據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重。管壁組織從內壁、從內表面到管壁嚴重脫碳。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，同時形成的氧化皮層變質鍋爐的傳熱性能。導熱系數僅為鋼的10%。換句話說，1毫米的刻度相當于將鋼管貼在管壁上時加厚。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，繼續保持鋼管的抗拉強度。當管壁溫度升高時，球體結構嚴重變形，出現球狀石墨，使不銹鋼鍋爐管長期過熱而出現管軸向裂紋。

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

4。結論

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生氧化反應，形成較厚的氧化皮層。當停爐或負荷變化較大時，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，產生的氫由于水垢的擾動而不能擴散和滲透到材料中。氫腐蝕后，鋼管壁被腐蝕，大量出現晶間裂紋，在高溫和氫腐蝕的作用下，組織嚴重脫碳，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很久沒有使用了。大部分腐蝕坑和裂紋沒有穿透整個管壁，裂紋穿透管壁泄漏，所以這是次要故障。