20G鋼鍋爐煙道管開裂原因

胡 曼, 倪文嘯, 薛俊峰, 王 棟, 王立濤

(日照鋼鐵控股集團有限公司, 日照 276806)

國內無縫鋼管主要采用熱軋管生產工藝進行生產，熱軋管生產工藝主要有兩種：二輥斜軋穿孔-連軋-張力減徑生產工藝；斜軋穿孔-斜軋(三輥軋管機)-減定徑生產工藝[1]。20G鋼無縫鋼管主要應用于高壓和超高壓鍋爐的過熱器管、再熱器管、導氣管、主蒸汽管等。20G鋼鍋爐煙道管的工作壓力一般在9.8 MPa以上，工作溫度為800～1 000 ℃，鋼管在高溫煙氣和水蒸氣的共同作用下會發生氧化和腐蝕，因此要求鋼管具有較高的持久強度及較好的抗氧化腐蝕性能，并有良好的組織穩定性。某廠所用的20G鍋爐煙道管在使用過程中發生開裂，筆者采用化學成分分析、金相檢驗、力學性能測試、掃描電鏡及能譜分析等方法，分析了該鍋爐煙道管發生開裂的原因。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂20G鋼鍋爐煙道管的宏觀形貌如圖1所示，可見裂口位置明顯脹粗，裂紋沿縱向延伸[2]，裂紋長度約為10 mm，寬度約為2 mm。

圖1 開裂20G鋼鍋爐煙道管的宏觀形貌

1.2 力學性能測試

在開裂鍋爐煙道管上取樣，對其進行力學性能測試，結果如表1所示。由表1可知，20G鋼鍋爐煙道管各項力學性能均符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

表1 20G鋼鍋爐煙道管的力學性能測試結果

1.3 化學成分分析

在開裂鍋爐煙道管上取樣，對其進行化學成分分析，結果如表2所示。由表2可知，20G鋼鍋爐煙道管的化學成分符合GB/T 5310—2017的要求。

表2 20G鋼鍋爐煙道管的化學成分分析結果 %

1.4 夾雜物檢驗

在開裂鍋爐煙道管上沿與裂紋平行的截面取樣，依據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對試樣進行夾雜物評級，結果如表3所示。由表3可知，試樣的非金屬夾雜物等級為球狀氧化物類細系0.5級。

表3 20G鋼鍋爐煙道管中夾雜物的評級結果 級

1.5 金相檢驗

在開裂鍋爐煙道管上取樣進行金相檢驗，取樣位置如圖1所示，金相檢驗結果如圖2所示。由圖2可知：開裂處存在一條貫穿裂紋，裂紋周圍有氧化物，且未發現大顆粒夾雜及卷渣；腐蝕后可見裂紋周圍組織存在脫碳現象，裂紋周圍局部組織晶界存在氧化現象；裂紋周圍及靠近裂紋位置均存在浮凸的棕黃色元素富集相，并且存在嚴重的魏氏組織，魏氏組織評級為3.5級；基體組織為鐵素體+珠光體。

圖2 20G鋼鍋爐煙道管的微觀形貌

1.6 能譜分析

在裂紋周圍及靠近裂紋位置的棕黃色元素富集相和基體處取樣，并對其進行能譜分析，結果如圖3和表4所示。由圖3和表4可知：棕黃色元素富集相呈浮凸狀，富集相內含有Cu，Fe，C元素和少量的Mn，O元素；基體處僅含有Fe，C元素。

圖3 元素富集相和基體處能譜分析位置及能譜圖

表4 元素富集相和基體處的能譜分析結果 %

2 綜合分析

由上述理化檢驗結果可知，開裂鍋爐煙道管的裂紋周圍組織存在明顯的脫碳現象，局部晶界存在高溫氧化特征，并且裂紋周圍存在嚴重的魏氏組織，其級別達到了3.5級。未開裂位置的基體組織為鐵素體+珠光體，無魏氏組織，說明鍋爐煙道管開裂位置產生了嚴重的過熱情況。鍋爐煙道管中未開裂位置組織正常，僅開裂位置組織過熱，說明該過熱組織是在后續使用過程中產生的。鍋爐煙道管的工作溫度為800～1 000 ℃，內部采用350 ℃水冷介質，現場查看其開裂位置，發現該鍋爐煙道管應該存在一段時間的斷水現象，具體時長無法確認，原因可能是在斷水時，管道無法及時冷卻而存在高溫環境，導致該位置嚴重過熱，產生了魏氏組織。當鋼中含碳量約為0.2%(質量分數，下同)時，會有魏氏組織產生，而該開裂鍋爐煙道管的含碳量為0.19%，易產生魏氏組織[3]。魏氏組織是一種過熱缺陷，其會降低鋼的塑性和韌性，提高鋼的脆性轉變溫度[4-5]，導致管道發生開裂。

裂紋周圍及靠近裂紋位置均存在浮凸的棕黃色元素富集相，這種富集相具有沿奧氏體晶界分布的特征，富集相內含有75%～85%的Cu元素。該開裂鍋爐煙道管的化學成分符合GB/T 5310—2017的要求，因此Cu元素的富集應該發生在該開裂鍋爐煙道管的使用過程中，因過熱造成了Cu元素富集。加熱氧化對Cu元素的富集分布影響較大，加熱氧化越嚴重，Cu元素越容易向基體內部滲透并擴展[6]，形成沿晶界分布的Cu元素帶，晶界氧化嚴重破壞了基體的連續性，使其高溫強度及韌性降低，最終導致管道開裂。

3 結語及建議

造成20G鋼鍋爐煙道管開裂的主要原因是：一段時間的斷水導致局部出現異常高溫環境，異常高溫環境造成嚴重過熱現象，使材料產生魏氏組織，從而降低了鋼的塑性和韌性；同時過熱還造成了Cu元素在晶界富集，使晶界氧化，最終使管道發生開裂。

建議：加強對水處理和水質監測的管理，增加除氧和除鐵設備，避免因長時間水垢累積而造成的鍋爐管堵塞斷水；充分利用好停爐檢修階段，請專業人員對鍋爐管進行除垢清灰、維修保養；加強監督，在大修、中修、小修、停爐檢修中，除了對常規項目進行檢查，還需要對鍋爐管道進行無損檢測，觀察其有無堵塞情況，及時記錄并處理。