20 MnG 高壓鍋爐用無縫鋼管開裂失效分析

倪棟

（廈門市產品質量監督檢驗院，福建 廈門361004）

1 前言

高壓鍋爐經常處于高溫和高壓狀態，在高溫蒸氣的長期作用下無縫鋼管發生氧化和腐蝕的風險較大[1]，因此對其材質、熱處理和加工工藝都有著嚴格的要求，除了應具有高強度、高抗氧化性能和抗腐蝕性能外，還應有良好的組織穩定性[2]。某高壓鍋爐在服役工作6 年后發生斷裂事故，造成較大的經濟損失。高壓鍋爐的失效主要是無縫鋼管發生開裂，無縫鋼管所用材料的材質為20 MnG。本文采用化學成分分析、硬度測試、拉伸試驗、金相組織檢驗和斷口SEM 掃描電鏡分析等試驗手段，研究其開裂失效的原因，最后針對開裂失效原因提出了可行的預防和改進建議。

2 實驗過程及結果

2.1 化學成分

在無縫鋼管的斷口處取化學成分分析試樣進行測試，結果如表1 所示。從表1 可以看出該無縫鋼管的10 個元素化學成分的測試結果均符合標準GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中20 MnG 材質的規定要求[3]，化學成分合格。

2.2 硬度分析

在無縫鋼管斷口附件取3 件硬度試樣進行檢測，分別標識為1#、2#和3#，維氏硬度檢測結果如表2 所示。從表2可看出其維氏硬度也滿足標準GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規定要求[3]。

表1 無縫鋼管化學成分檢測結果（質量分數單位：%）

表2 無縫鋼管維氏硬度檢測結果

2.3 拉伸性能分析

沿無縫鋼管軸向方向截取3 根拉伸試驗樣，采用WDW-100 型微控電子萬能試驗機進行常溫拉伸試驗，檢測結果如表3 所示。從表3 可見，各項指標未見異常，屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均符合標準GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的技術要求[3]。

表3 無縫鋼管拉伸性能檢測結果

2.4 金相組織分析

在無縫鋼管斷口處沿軸向截面取金相試驗樣，經研磨、拋光、腐蝕后，在徠卡DMⅠRM 金相光學顯微鏡下進行觀察，金相組織如圖1 所示，其金相組織形態為鐵素體（白色區域）和珠光體（暗色區域）[4]。由于長期處于較高溫度下，珠光體片層狀滲碳體呈斷續狀，出現初期的輕微球化，整體組織處于較好狀態[5]，符合標準GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對20 MnG 高壓鍋爐用無縫鋼熱處理工藝應為正火、顯微組織形態應為鐵素體和珠光體的技術要求。

圖1 無縫鋼管斷口的金相顯微組織

2.5 SEM 掃描電鏡分析

利用蔡司掃描電鏡對無縫鋼管斷口附近的外表面、內表面和其斷面的微觀形貌分別進行觀察和分析，如圖2 所示，無縫鋼管外表面和內表面均有明顯的裂紋，且內外表面均覆蓋一層疏松銹垢。對銹垢進行能譜分析，結果表明，銹垢的主要成分為氧、鐵、硅、氯和硫等元素，內表面銹垢的氯含量達7.65%，硫含量達6.32%。無縫鋼管斷面微觀形貌如圖3 所示，無縫鋼管的斷面呈現撕裂狀痕跡和大量的腐蝕坑，同樣使用EDS 能譜分析儀對斷面的腐蝕坑進行分析，發現氯含量和硫含量均較高。

圖2 外表面和內表面微觀形貌圖

圖3 無縫鋼管斷面微觀形貌圖

3 分析討論

從上述檢測結果和掃描電鏡觀察分析可知，無縫鋼管的化學成分、力學性能和金相組織均符合標準的要求，因此排除材料用錯和熱處理工藝的問題。從無縫鋼管內外表面和斷口的SEM 掃描電鏡和EDS 能譜分析結果來看，因為高壓鍋爐長期在高溫水蒸氣等內外部環境條件運行，其無縫鋼管內外壁形成了氧化物、氯化物和硫化物等銹垢，隨著銹垢厚度的增加，降低了無縫鋼管的熱傳導性，熱效率大大降低，同時使鋼管的溫度升高，進一步加速了內外表面的腐蝕，造成鋼管壁厚及有效截面積減小、內應力增大等不安全因素，繼而使得被腐蝕的基體缺陷處萌生裂紋，隨著無縫鋼管的老化和基體強度的下降，裂紋逐步沿著徑向方向向內外表面擴展，最終發生應力腐蝕開裂[6]。

4 結論

造成20 MnG 高壓鍋爐用無縫鋼管開裂的主要原因是該鋼管長時間在高溫高壓條件下服役，已逐步開始老化，基體強度不斷降低，再加常年腐蝕，在內表面被腐蝕的基體缺陷處首先萌生裂紋，同時在高內應力的作用下，裂紋不斷擴展，最終發生應力腐蝕開裂。

建議通過化學清洗清除掉無縫鋼管內外壁殘留的銹垢，定期對無縫鋼管進行超聲波無損檢查，若發現有壁厚減小或腐蝕裂紋存在，應及時更換無縫鋼管。