余熱鍋爐低溫過熱器E3514 出口彎頭開裂分析

張 健 王 云

（1.中國石油蘭州石化榆林化工有限公司；2.蘭州理工大學材料科學與工程學院）

過熱器出口管段鋼類屬于碳素鋼，其彎頭處極易發生開裂出現裂紋［1，2］。筆者通過對某石油化工廠尾氣余熱鍋爐低溫過熱器出口開裂彎頭內外壁取樣，進行宏觀檢查、化學成分分析、力學性能分析、金相組織分析、斷口分析和能譜分析，分析開裂原因，提出改進措施，保障尾氣余熱鍋爐低溫過熱器的安全穩定運行。

1 基本情況

硫磺回收裝置尾氣余熱鍋爐低溫過熱器E3514 出口彎頭的主要參數如下：

設計溫度 420℃

操作溫度 小于420℃

設計壓力 4.5MPa

操作壓力 3.0MPa

彎頭材料 20G

規格 DN200mm

工作介質 蒸汽

2 檢驗檢測

2.1 宏觀檢查

彎頭表面無金屬光澤，覆蓋有大量黑褐色的腐蝕產物， 如圖1a 所示； 將表面腐蝕產物去除后，進行PT 檢查，如圖1b 所示，可見內彎部位存在多條沿軸向擴展的裂紋，其中兩條為穿透型裂紋，長度分別為70mm 和20mm；將彎頭沿裂紋長度的1/2 處徑向剖開， 可見內壁表面覆蓋有褐色腐蝕產物，根據裂紋開口寬度可知，穿透裂紋由外壁向內壁擴展，如圖1c 所示，同時外壁存在大量的未穿透軸向微裂紋，如圖1d 所示；彎頭背彎處內外表面PT 檢測均未見裂紋。 宏觀檢查結果表明， 彎頭內彎部位存在多條沿軸向擴展的裂紋，通過貫穿裂紋的開口寬度判斷，裂紋由外壁向內壁擴展。

圖1 裂紋位置及形貌

2.2 化學成分分析

對彎頭進行光譜分析，結果見表1，可以看出彎頭材料的化學成分符合GB/T 5310—2017 對20G 材料的要求。

表1 彎頭材料的化學成分 %

2.3 力學性能分析

從彎頭內彎處取樣進行室溫拉伸試驗，結果見表2，可以看出，彎頭的抗拉強度、屈服強度均不符合GB/T 5310—2017 對20G 材料的要求，強度降低，抵抗壓力的能力減弱；樣品內彎近外壁區、心部和近內壁區3 個部位的維氏硬度實測值低于GB/T 5310—2017 對20G 材料的要求，尤其近外壁區、心部的硬度，降低得更為嚴重。

表2 彎頭材料的力學性能

2.4 金相組織分析

從彎頭開裂部位截取金相試樣進行顯微組織觀察。 位置1 處（圖2a）的裂紋長度約為7mm，實際金屬厚度明顯小于1/2 壁厚。 彎頭外壁存在灰色氧化層，且存在多條由外壁向內壁擴展的裂紋，20G 正火態正常組織為鐵素體+珠光體，彎頭金相組織為鐵素體，整個截面鐵素體晶界處存在大量黑色孔洞， 材質發生嚴重劣化， 如圖2b 所示。

軸向截面顯微組織形貌如圖3 所示，可見該截面組織為鐵素體，整個截面存在大量微裂紋和黑色孔洞， 其中近外壁區和心部較近內壁區嚴重。

2.5 斷口分析及能譜分析

2.5.1 斷口形貌分析

將裂紋尖端樣品打開， 得到如圖4a 所示的斷口，裂紋斷裂面呈黑色，灰色區域具有金屬光澤，為人工打斷區域。 金相樣品裂紋顯微組織拋光態下進行掃描電鏡形貌分析，可見整個截面存 在大量黑色孔洞，與金相分析結果吻合（圖4b）。

圖2 金相樣品裂紋顯微組織

圖3 金相樣品軸向截面顯微組織

圖4 斷口形貌及拋光態SEM 形貌

圖5 為樣品清洗前的斷口形貌，近外壁區可見裂紋斷裂面覆蓋有大量的白色腐蝕產物，心部伴有球狀氧化物，近內壁區的打斷面呈現韌窩狀形貌，為塑性開裂的特點。 清洗后的斷口形貌如圖6 所示，可見整個晶界存在大量孔洞，并且斷口中存在層狀的珠光體斷裂形貌。

圖5 樣品清洗前的斷口形貌

圖6 樣品清洗后的斷口形貌

2.5.2 能譜分析

用X 射線能譜儀對斷口表面的腐蝕產物進行能譜分析，結果見表3、圖7。 由表3 可以看出，斷口表面的腐蝕產物中伴有少量具有腐蝕性的S、Cl 元素；由圖7 可以看出，腐蝕產物以氧化物為主。

表3 元素含量表 wt%

圖7 斷口表面能譜分析

3 討論與分析

從裂紋處斷面掃描電鏡分析可見，斷口晶界處存在大量的孔洞， 具有高溫蠕變開裂的特征。根據API 571—2011，20G 發生蠕變的閾值溫度為371℃，開裂彎頭為余熱鍋爐出口第1 個彎頭，在生產過程中，彎頭在高于371℃下長時間運行，材料發生高溫蠕變，組織發生劣化，產生大量的蠕變孔洞，珠光體已經完全消失［3］。

抗拉強度不符合標準要求，已降至標準要求下限的80%；材料硬度嚴重降低，機械性能整體下降，已無法滿足現場工況的使用要求；彎頭內彎處存在加工應力， 運行過程中存在工作應力，造成內彎部位是整個彎頭的最薄弱區域。 受介質壓力的作用， 材料產生蠕變孔洞連接后形成裂紋，導致彎頭最終發生開裂。

4 結束語

余熱鍋爐低溫過熱器E3514 出口彎頭由于使用溫度過高，組織發生劣化，產生大量蠕變孔洞，最終導致開裂。 后續相關人員可根據材料失效原因，制定針對性的解決措施，以保證設備的長周期安全穩定運行。