凝水加熱器放汽管失效分析

劉 亮

(安徽省特種設備檢測院，安徽 合肥 230051)

某加熱器放氣管規格為φ25 mm×3 mm，材質為20G。在使用過程中，出現開裂失效現象，如圖1所示。對開裂管段進行金相檢驗、硬度和掃描電鏡及能譜分析，進行失效分析，查找導致開裂失效的原因[1-2]。

1 理化檢驗

1.1 金相觀察

從失效樣品中裂紋開口處切取試樣，經打磨拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，制備金相樣品，顯微組織如圖2所示。裂紋附近組織為：F+P，珠光體區

圖1 加熱器放氣管開裂Fig.1 Cracking of steam outlet pipe of heater

域中的碳化物開始分散，珠光體形態明顯，球1級，晶粒度6級。圖2(b)中可見裂紋沿管內壁貫穿整個管體，且由內壁至外壁方向裂紋寬度收窄，裂紋末端較為尖銳，裂紋的內部氧化物清晰可見[3-5]。

(a)內壁附近200×；(b)外壁附近100×圖2 試樣金相組織(a)near the inner wall 200×；(b)near the outer wall 100×Fig.2 Microstructure of the sample

1.2 SEM及ESD分析

利用掃描電子顯微鏡，對管子內壁、未貫穿裂紋截面和主裂紋斷裂面進行微區組織SEM及ESD分析。圖3為管子內壁的掃描電鏡形貌，由圖可見，在管內壁有多條裂紋存在，且呈網狀分布，標記1裂紋沿管子周向延伸，標記3裂紋部分沿管外壁方向延伸，并且具有一定的深度裂紋端較為尖銳，標記2裂紋沿管子軸向擴展。

(a)41×；(b)140×圖3 管內壁SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the inner wall of tube

圖4為未貫穿裂紋附近的形貌，觀察發現管內壁有多條裂紋存在，與圖3結果吻合，裂紋起源于管子內壁，向外壁方向擴展，裂紋附近組織為F+P，裂紋內填充有致密氧化物。對填充的氧化物進行能譜分析，結果顯示為鐵的氧化物，O/Fe原子比為1.33，符合Fe3O4的原子比例。

圖5為貫穿裂紋斷裂面表面形貌，圖中可見內壁附近為裂紋形成區，管壁方向中間位置為裂紋擴展區，外壁附近為斷裂區。對形成區、擴展區和斷裂區選三處位置分別進行能譜分析，結果如表1所示，形成區O/Fe原子比為1.39，近似Fe3O4的原子比例，擴展區O/Fe原子比為1.48，近似Fe2O3的原子比例；斷裂區在近外壁的位置，受表面雜質元素影響，氧和鐵的原子比偏離正常鐵氧化物的范疇。

1.3 硬度檢測

利用臺式布氏硬度計，在金相試樣表面進行布氏硬度檢驗。檢測結果為：管子硬度134 HB，測試結果符合標準DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》中對20G的硬度規定[6]。

(a)裂紋形貌38×；(b)裂紋形貌 1000×；(c)能譜圖4 未貫穿裂紋SEM形貌及能譜(a)crack morphology 38×；(b) crack morphology 1000×；(c) energy spectrumFig.4 SEM morphology and energy spectrum of non-penetrating cracks

圖5 貫穿裂紋表面SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the surface of penetrating crack

序號元素原子百分比O/Fe原子比ESD.1O46.15Fe33.08C20.36Mn0.411.39ESD.2O46.95Fe31.74C21.311.48ESD.3O38.62Fe20.26C40.21Si0.53Ca0.381.9

2 試驗結果分析

該管段組織無明顯異常且硬度符合相關標準要求。管子周向只有一條裂紋貫穿內外壁，并且存在多條未貫穿裂紋。貫穿裂紋形成于管內壁，向外壁方向穿晶擴展，裂紋擴展區有明顯的層疊狀痕跡。未貫穿裂紋內部填充有致密的氧化物，裂紋末端尖銳，具有較強擴展性。管子內壁有一層氧化物，氧化物上分布著不同方向的裂紋，管內壁多種方向的裂紋基本已經擴展到母材中。經能譜判斷，管內壁氧化物和未貫穿裂紋中的致密氧物為Fe3O4，而裂紋形成區和斷裂區氧化物近似Fe2O3俗稱“鐵銹”，是鐵在空氣中氧化的產物，生成不需要很高的溫度，而Fe3O4是在高溫下形成的致密氧化物。加熱器放汽管工作溫度約110 ℃，工作壓力約0.6 MPa，在此工作溫度和壓力下較難形成Fe3O4。因此，管子內壁裂紋是在制造過程中產生，屬于制造缺陷。

3 結論與建議

放汽管制造過程中工藝控制不當導致內壁產生裂紋，裂紋末端尖銳具有很強的擴展性，管子服役過程中裂紋向外壁方向擴展，最終貫穿內外壁導致開裂失效。

建議加強加熱器放汽管產品入廠質量驗收，對鋼管進行渦流檢查，內壁有原始缺陷的管子嚴禁使用；擇機更換現役凝水加熱器放汽管，避免存在裂紋的管子繼續服役導致泄漏。