熱風爐出風管失效分析

蔡曉文，陳興元

(攀鋼集團研究院有限公司 釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室，四川 成都 610300)

1 前 言

作為熱風爐出風管的不銹鋼，一般含有大量Cr和Ni，不銹鋼基體不僅可形成穩定的γ相，而且具有較好的抗蠕變性，在高溫下能持續作業，具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性和耐高溫性，適用于排氣管道、熱處理爐、熱交換機等要求耐熱性的高溫接觸部件[1, 2]。然而，熱風爐的出風管因工作環境較為惡劣，長時間運行之后同樣會受高溫氧化、開裂等問題的限制。

2 理化檢驗

某不銹鋼制成的熱風爐出風管膨脹接頭，于700～1000 ℃溫度范圍內使用約1年，其接頭處管壁減薄80%～90%，并在嚴重減薄處發生脆斷。為確定膨脹接頭過早脆斷的原因，結合宏觀形貌檢驗、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察、傳統金相檢驗等手段對失效樣品進行了分析。并從不銹鋼的成分、組織和性能以及實際應用需要的角度進行了討論。

2.1 宏觀形貌檢驗與分析

經現場調研得知，膨脹接頭工作時，表面常有發紅現象，失效管接頭已呈深黑色，說明經歷了嚴重高溫氧化。正對熱風爐出熱風部位的膨脹接頭管壁厚度減薄，并于此處發生開裂或斷裂。圖1是失效部位的照片，圖1a中標識了試樣A、B、C的取樣位置及取樣編號，隨后檢驗的試樣沿標記線切割。嚴重減薄區域有明顯的塌陷，塌陷處內壁照片如圖1b，切割位置如圖中標記。可以看出沒有頸縮，說明應力并不大。

圖1 失效部位的表面形貌(a)和內壁形貌(b)照片Fig.1 Representive topography of the outer (a) and the inner (b) surfaces of a failed tube during operation

在失效管樣的塌陷區和非塌陷區，沿裂紋將管子撕開，得到人工斷口，經體式顯微鏡觀察，發現塌陷區和非塌陷區具有不同的斷口形貌，如圖2a～2c。塌陷區斷口紋理較細，說明材料還具有一定的韌性，有較長的時間發生塑性變形而塌陷；而非塌陷區顯示“冰糖”狀斷口形貌，說明材料已經脆化。塌陷區和非塌陷區的管壁厚度均有不同程度的減薄。

圖2 失效管人工斷口形貌照片(a)，塌陷區(b)和非塌陷區(c)人工斷口形貌照片Fig.2 Images of the close-up views of the fracture surfaces (a), fractures at collapsed area (b) and uncollapsed area (c)

2.2 SEM斷口觀察與分析

在圖1a中所標A處內壁位置再截取3個試樣，分別標號為D、H、E，D、H試樣為塌陷區樣品，E試樣為非塌陷區樣品，斷面的SEM照片如圖3。從圖3a可以看出，位于塌陷區的D斷口顯示出韌窩，說明D斷口屬于撕裂型斷口，證明塌陷區材料具有一定的韌性。同時，D斷口呈階梯狀，說明試樣受到氣流沖蝕，逐層剝落。從圖3b非塌陷區的E斷口SEM照片可以看出，斷口微觀形貌為“冰糖”狀，同時顯示沿晶裂紋。上述特征表明此處試樣顯示晶界分離和逐漸浸蝕，材料已經蠕變脆化[3, 4]，晶間結合力基本喪失，幾乎沒有強度，一碰就開裂。用H試樣來觀察管內壁，可知管內壁受到氣流沖蝕而凹凸不平，如圖3c。該區域的局部放大SEM照片如圖3d，可見部分氧化層脫落凹陷，金屬基體裸露，而氧化層沒有脫落的部分凸起。能譜(EDS)結果顯示，管內壁基體中的Mn和Ni僅余少量，Cr也只存在一部分，具體的EDS分析如表1所示。熱風管基體材料原始化學成分見表2。

圖3 D斷口二次裂紋和韌窩(a)，E斷口的“冰糖狀”形貌(b)，塌陷區試樣H的管內壁的形貌(c)，圖3c的局部放大SEM照片(d)Fig.3 SEM images of typical surfaces fracture in D, showing secondary cracks and dimples of ductile fracture (a); surface of fracture of E area in which the fracture appears to be a “Rock candy” (b); the inner surfaces of the collapsed area H (c); detail from fig.3c (d)

表1 管內壁塌陷區的能譜分析結果Tab.1 EDS result of the inner surfaces of collapsed areas of the tube (ω/%)

2.3 金相分析

在塌陷區D和非塌陷區E垂直于斷口制備金相試樣，觀察塌陷區和非塌陷區的側壁上存在的氧化質點和蠕變孔洞。使用光學顯微鏡觀察塌陷區與非塌陷區垂直截面拋光面，均發現楔形或W形三叉點空穴，如圖4a和4b，說明材料已經發生晶間蠕變損傷[5-10]。圖4a所示位置為管樣塌陷區的近外表面區域，顯示晶間氧化現象[11]。塌陷區的蠕變損傷程度較非塌陷區輕，很少發生W形裂紋連接，所以斷口顯示韌性斷裂。圖4b顯示非塌陷區三叉點空穴已經寬化并有相互連接的現象，所以在斷口顯示脆性的“冰糖”狀形貌。

表2 失效管樣品化學成分測定值和0Cr25Ni20不銹鋼的國標規定值Tab.2 Chemical compositions of failed tube compared with standard 0Cr25Ni20 stainless steel (ω/%)

圖4 塌陷區D晶間氧化和蠕變孔洞(a)，非塌陷區E內壁的蠕變孔洞(b)的光學顯微鏡照片Fig.4 Images of the polished sections about collapsed (a) and uncollapsed (b)

將拋光E試樣用一定配比的HCl+FeCl3水溶液進行腐蝕，觀察到樣品基體組織為奧氏體，但已發生了嚴重的晶間腐蝕，其奧氏體晶粒度級別為1.5級，說明該部位已嚴重過熱，如圖5所示。區域內未發現拉長的晶粒，說明最終斷裂發生在停爐的溫度狀態。在拋光態的表面及次表面能看到晶間腐蝕，這可能與晶界析出的碳化物有關。

圖5 試樣E的腐蝕態光學顯微鏡照片Fig.5 Image of the etched sections of the failed tube of E area

2.4 化學分析

用直讀光譜測定試樣的化學成分，并與GB/T 20878-2007《不銹鋼及耐熱鋼牌號及化學成分》進行對比，發現其化學成分與0Cr25Ni20不銹鋼的化學成分相似，且符合標準值。由表2可知，送檢試樣的化學成分基本滿足國標規定值。

3 結 論

(1)0Cr25Ni20奧氏體不銹鋼制熱風爐出口管膨脹接頭的過早失效，主要原因是過量蠕變應變導致晶界三叉點開裂擴展的結果。外貌不相同的塌陷區和非塌陷區，在顯微特征上僅顯示嚴重程度不同的晶界三叉點開裂，卻使材料行為發生了由延性向脆性的轉變。

(2)工作溫度是影響出口管蠕變失效的重要因素。在超過0Cr25Ni20鋼許可的高溫(<980 ℃)下使用時，會造成晶粒粗化、過度氧化和熱腐蝕，這些現象加速了管壁氧化、脫落并最終減薄管壁。管壁減薄到支撐厚度不足時，已脆化的材料在很小的管內熱風壓力作用下會引起剩余管壁過載，結果在蠕變損傷較輕的區域發生連續的塑性變形而塌陷，而在晶間腐蝕嚴重的蠕變損傷區發生脆性開裂。

(3)0Cr25Ni20不銹鋼不適合在1100 ℃高溫條件下使用，因為其C含量高于固溶度，過剩的C與Cr結合會沿晶界析出Cr23C6型碳化物，造成晶界貧Cr，加速晶界氧化腐蝕，使晶粒分離，從而在無蠕變的條件下也會產生脆性開裂。在晶界高溫氧化的同時，出口管自由表面也被氧化，使金屬損失，也會造成管壁減薄。

(4)為滿足在1100 ℃溫度條件下安全使用，必須選擇抗蠕變又抗高溫氧化、腐蝕的材料。