倪棟

（廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，福建 廈門361004）

1 前言

高壓鍋爐經(jīng)常處于高溫和高壓狀態(tài)，在高溫蒸氣的長期作用下無縫鋼管發(fā)生氧化和腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)較大[1]，因此對其材質(zhì)、熱處理和加工工藝都有著嚴(yán)格的要求，除了應(yīng)具有高強(qiáng)度、高抗氧化性能和抗腐蝕性能外，還應(yīng)有良好的組織穩(wěn)定性[2]。某高壓鍋爐在服役工作6 年后發(fā)生斷裂事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。高壓鍋爐的失效主要是無縫鋼管發(fā)生開裂，無縫鋼管所用材料的材質(zhì)為20 MnG。本文采用化學(xué)成分分析、硬度測試、拉伸試驗(yàn)、金相組織檢驗(yàn)和斷口SEM 掃描電鏡分析等試驗(yàn)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(yù)防和改進(jìn)建議。

2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 化學(xué)成分

在無縫鋼管的斷口處取化學(xué)成分分析試樣進(jìn)行測試，結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出該無縫鋼管的10 個(gè)元素化學(xué)成分的測試結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中20 MnG 材質(zhì)的規(guī)定要求[3]，化學(xué)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(jìn)行檢測，分別標(biāo)識為1#、2#和3#，維氏硬度檢測結(jié)果如表2 所示。從表2可看出其維氏硬度也滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規(guī)定要求[3]。

表1 無縫鋼管化學(xué)成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位：%）

表2 無縫鋼管維氏硬度檢測結(jié)果

2.3 拉伸性能分析

沿?zé)o縫鋼管軸向方向截取3 根拉伸試驗(yàn)樣，采用WDW-100 型微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，檢測結(jié)果如表3 所示。從表3 可見，各項(xiàng)指標(biāo)未見異常，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的技術(shù)要求[3]。

表3 無縫鋼管拉伸性能檢測結(jié)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(yàn)樣，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕后，在徠卡DMⅠRM 金相光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，金相組織如圖1 所示，其金相組織形態(tài)為鐵素體（白色區(qū)域）和珠光體（暗色區(qū)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(xù)狀，出現(xiàn)初期的輕微球化，整體組織處于較好狀態(tài)[5]，符合標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)為正火、顯微組織形態(tài)應(yīng)為鐵素體和珠光體的技術(shù)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(nèi)表面和其斷面的微觀形貌分別進(jìn)行觀察和分析，如圖2 所示，無縫鋼管外表面和內(nèi)表面均有明顯的裂紋，且內(nèi)外表面均覆蓋一層疏松銹垢。對銹垢進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，銹垢的主要成分為氧、鐵、硅、氯和硫等元素，內(nèi)表面銹垢的氯含量達(dá)7.65%，硫含量達(dá)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(xiàn)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(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氯含量和硫含量均較高。

圖2 外表面和內(nèi)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(jié)果和掃描電鏡觀察分析可知，無縫鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此排除材料用錯(cuò)和熱處理工藝的問題。從無縫鋼管內(nèi)外表面和斷口的SEM 掃描電鏡和EDS 能譜分析結(jié)果來看，因?yàn)楦邏哄仩t長期在高溫水蒸氣等內(nèi)外部環(huán)境條件運(yùn)行，其無縫鋼管內(nèi)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(dǎo)性，熱效率大大降低，同時(shí)使鋼管的溫度升高，進(jìn)一步加速了內(nèi)外表面的腐蝕，造成鋼管壁厚及有效截面積減小、內(nèi)應(yīng)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(qiáng)度的下降，裂紋逐步沿著徑向方向向內(nèi)外表面擴(kuò)展，最終發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[6]。

4 結(jié)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(shí)間在高溫高壓條件下服役，已逐步開始老化，基體強(qiáng)度不斷降低，再加常年腐蝕，在內(nèi)表面被腐蝕的基體缺陷處首先萌生裂紋，同時(shí)在高內(nèi)應(yīng)力的作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，最終發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

建議通過化學(xué)清洗清除掉無縫鋼管內(nèi)外壁殘留的銹垢，定期對無縫鋼管進(jìn)行超聲波無損檢查，若發(fā)現(xiàn)有壁厚減小或腐蝕裂紋存在，應(yīng)及時(shí)更換無縫鋼管。