導熱管的應力腐蝕開裂失效分析

楊海濤，嚴彪＊

同濟大學材料科學與工程學院 上海 201804

1 序言

某鍋爐用導熱管在使用一段時間后發生開裂。該管的材料牌號為15CrMoG，規格為φ38mm，開裂比例約20%。圖1所示為失效換熱管的實物照片，顯示開裂位置均位于管件彎管段的側面。

圖1 開裂的導熱管

2 測試和分析

2.1 化學成分分析

采用火花直讀光譜(O E S)進行了化學成分分析，其測試結果見表1。由表可知，該失效導管的化學成分滿足GB/T 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》的技術要求[1]。

表1 失效導熱管的化學成分（質量分數） （%）

2.2 硬度測試

硬度試樣分別取自失效樣的彎管段和直管段，采用顯微維氏硬度計進行了硬度測試，測試結果見表2。結果顯示，直管段的硬度平均值為153 HV0.3，彎管段外側硬度值高達218 HV0.3，彎管段內側硬度為204 HV0.3，彎管段側面的硬度為188.3 HV0.3。彎管段的硬度明顯升高，這很可能與彎管處的冷加工硬化有關。

表2 硬度測試結果 （HV0.3）

2.3 拉伸試驗

在失效導熱管直管段制取拉伸試樣，測試結果見表3。可知，導熱管的拉伸性能滿足標準G B 5310—2008中牌號15CrMoG的性能要求[1]。

表3 拉伸試驗測試結果

2.4 金相測試

在失效導熱管裂紋附近制取金相試樣，分別在拋光態和腐蝕態下觀測裂紋形貌和微觀組織。圖2和圖3顯示主裂紋貫穿整個管壁，主裂紋兩側均存在一些二次裂紋，且主要沿晶界擴展，主裂紋內還可觀測到一些腐蝕產物。圖4顯示主裂紋附近的金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體未見明顯球化，說明該失效導熱管服役過程中無超溫，同時可觀測裂紋內存在較多的灰色氧化物。根據GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定法》對失效導熱管進行平均晶粒度評級[2]，其結果為8.5級（見圖5），滿足相關要求[1]。

圖2 裂紋的宏觀形貌

圖4 裂紋附近的金相組織（鐵素體+珠光體）

圖5 晶粒度評級（8.5級）

2.5 斷口觀察與分析

沿著裂紋將斷口打開，先采用體視顯微鏡進行整體觀察，發現斷口表面平整且被紅棕色的銹跡所覆蓋，未見明顯塑性變形，為脆性開裂（見圖6）。對斷口除銹后采用掃描電鏡進行微觀觀察，圖7～圖9為斷口不同區域的典型微觀形貌，顯示斷口除銹后主要表現出沿晶斷裂形貌，但是斷口仍存在一些腐蝕產物或腐蝕殘留物。

圖6 沿裂紋打開后斷口的整體形貌

圖7 斷口A區典型微觀形貌

圖8 斷口B區典型微觀形貌

圖9 斷口C區典型微觀形貌

2.6 能譜測試

為了確定沿裂紋打開后斷口表面腐蝕產物的化學成分，對試樣進行了能譜（EDS）觀測（見圖10），結果見表4。由表4的結果可知，顯示該腐蝕產物主要為鐵的氧化物，且檢測到較多的Na、Ca堿性較活潑元素成分。

圖10 能譜測試位置

表4 沿裂紋打開后斷口表面能譜分析結果（質量分數） （%）

3 討論

由上述各項測試可知，該失效導熱管的化學成分、力學性能和晶粒度等均滿足相關標準中的技術要求，金相組織為鐵素體+珠光體，無球化傾向，運行時管道無超溫現象。

通過硬度測試發現，失效導熱管直管段的心部硬度平均值為153HV0.3，彎管段的心部硬度平均值高達193HV0.3，彎管段硬度明顯高于直管段。進一步測試發現，彎管段外側的硬度平均值高達218HV0.3，內側的硬度平均值為204HV0.3，側面的硬度平均值為188.3HV0.3。由于冷加工變形且無后續熱處理，管在彎制過程中，彎曲管段會經歷了外側管壁減薄、內側管壁增厚及由圓變橢圓的過程，因此彎曲部位的殘余應力會較大。這會導致彎曲段的硬度明顯高于未變形直管段的硬度，尤其是明顯減薄的管外壁硬度最高。通過掃描電鏡和能譜對斷口表面進行微觀觀察，發現斷口主要為沿晶脆性斷口，斷口表面存在腐蝕產物和二次裂紋，腐蝕產物里殘留有較多的Na、Ca等活潑堿性元素，斷口處貫穿性主裂紋裂紋兩側存在較多沿晶擴展的二次裂紋，裂紋分叉呈根須狀，且裂紋內均充滿了腐蝕產物，因此判斷該導熱管的開裂與應力腐蝕有關。

應力腐蝕是指某種金屬在應力和特定的腐蝕條件下共同作用產生脆性斷裂的現象，應力和腐蝕環境相互促進裂紋的生成和擴展，兩者缺一不可，且即使腐蝕條件并不惡劣，應力腐蝕也有可能發生[3]。應力腐蝕的主要影響因素有：應力因素和腐蝕介質因素等。從應力因素來考慮，該導熱管彎管段由于冷加工硬化產生的殘余應力較大，再加上工作時的外應力等多種應力疊加，所以為應力腐蝕開裂提供了應力條件。從腐蝕介質因素來看，該導熱管處于高溫高濕的使用環境，且在管內外及裂紋處都發現了較活潑的堿性元素，這些都說明其所處的環境較為惡劣，這為該管道提供了腐蝕條件。綜合以上分析，該導熱管的開裂主要由應力腐蝕導致的。

在高溫水蒸氣的腐蝕條件下以及在彎管本身伴隨的強殘余應力和工作應力的共同作用下，導致了應力腐蝕的發生，并最終導致了導熱管的開裂失效。

4 結論及建議

高溫水蒸氣腐蝕條件下，彎管段的殘余應力疊加工作應力的作用下，導致了彎管段應力腐蝕開裂。

建議導熱管的彎管段在冷加工后進行退火處理降低其殘余應力，并提高安裝精度，盡量減小工作應力，這樣才能有效地避免應力腐蝕的發生。