20g高压锅炉管断裂及腐蚀穿孔失效原因分析

20g高压锅炉管断裂及腐蚀穿孔失效原因分析

20 钢具备优良的焊接性能及冷热加工性能 , 无回火脆性 , 常用于制造压力不高 , 使用温度低于 450 ℃ , 非腐蚀性介质中服役的管子、导管等零件 , 作为锅炉钢 , 20g高压锅炉管在电厂锅炉、汽轮机及管道等方面获得广泛的应用。该钢若使用不当 , 极易出现断裂或减薄穿孔而短期失效。本文分析了锅炉炉内管的两个典型失效事例。

一、断裂件组织观察

宏观检查发现 , 断裂20g高压锅炉管的断口与钢管中心垂直 , 占钢管圆周 1/ 3 左右。断裂面粗糙 , 形似黄色树皮。破口边缘较钝 ,可见许多厚薄不均、形似晶粒的龟裂。减薄穿孔钢管照片见图 1 。腐蚀孔呈椭圆形 , 长轴 10mm , 短轴 3mm , 孔边光滑 , 壁厚从使用前的 2 1 9mm 减薄至 0 1 17mm 。另一小腐蚀孔在大孔同一轴线 , 距大孔约 15mm 处 , 也发生严重的腐蚀减薄。管的其它部分出现厚薄程度不一样的鱼鳞状沉积物 , 呈光滑沥青状。从剥离处可见其厚度约为 0 1 5mm , 与基体有明显的分层 , 粉碎后呈红褐色。两管件失效部位均为向火面 , 且内壁都有大面积的均匀沉积物 , 厚约 0 1 2 ～ 0 1 3mm 。

尽管组织中还保留着珠光体形态 , 其中的碳化物已明显分散, 呈颗粒状沿晶界及晶粒内部弥散分布, 局部区域的珠光体消失, 出现“双重晶界”现象, 使用后的钢管组织已发生不同程度的球化。从中还可看到沿晶界扩展的裂纹。近腐蚀孔处也发现碳化物球化迹象。同时 , 腐蚀产物向基体内发展 。两种失效钢管的夹杂物细小弥散, 分布均匀。断裂件的断口形貌示。低倍形貌显示, 断口附近产生大量的塑性变形。同时 , 在断口上有许多相互交错的裂纹 , 并覆盖一层氧化膜 ( 图 4 中光亮处 )。进一步放大后发现 , 沿晶界处形成了很多裂纹, 有明显的龟裂。

穿孔20g高压锅炉管腐蚀产物的表层形貌。可见许多表面微裂纹, 表层有气体冲刷的痕迹。为腐蚀孔横截面的扫描电镜照片, 其上分布有许多腐蚀微孔和气体冲蚀形貌口附近产生大量的塑性变形。同时 , 在断口上有许多相互交错的裂纹, 并覆盖一层氧化膜。进一步放大后发现, 沿晶界处形成了很多裂纹, 有明显的龟裂。

穿孔钢管腐蚀产物的表层形貌示。可见许多表面微裂纹, 20g高压锅炉管表层有气体冲刷的痕迹。为腐蚀孔横截面的扫描电镜照片, 其上分布有许多腐蚀微孔和气体冲蚀形貌.

二、失效原因分析

1断裂

扫描电镜观察发现 , 断口表面有许多龟裂的二次裂纹 , 并有滑移痕迹。同时,金相照片显示, 断口裂纹基本沿铁素体晶界扩展 , 这表明断裂是由于蠕变引起的。另外 ,断口一侧的金相照片表明 , 渗碳体高度球化 , 珠光体已基本消失 , 球状碳化物分布于铁素体晶界及晶内。珠光体的明显球表明 , 锅炉管向火面局部长期处于高温状态 ( 不超过 Ac 1 温度 , 但高于 470 ～ 480 ℃ ) 。已有的研究表明 , 碳钢在高于 300 ℃时即发生蠕变。当锅炉管在正常服役环境下工作时 , 由于管内水及蒸汽的冷却作用 , 向火面温度在允许温度之下。对20g高压锅炉管炉管内壁的观察发现鱼鳞状分布、厚度达 0 1 2 ～ 0 1 3mm 的含 Ca 、 Si 、 Mg 等元素的沉积物。由于其传热能力差 , 导致钢管向火面温度上升到远高于 300 ℃ , 使钢管发生蠕变。此外 , 由于在高温下长期运行 , 钢中珠光体由于渗碳体球化而逐渐消失 , 使其蠕变极限和持久强度降低 [1] 、蠕变过程加速 , 提前发生蠕变断裂。

2腐蚀穿孔

宏观观察发现 , 锅炉管外表层有厚约0 1 5mm 的腐蚀层。扫描电镜显示 , 该腐蚀层疏松而脆 , 和基体结合不牢固。表明 , 该腐蚀层主要由Fe 2 O 3 、 FeS 、 FeSO 4 · H 2 O 、 6CaO · 4SiO 2 · 3H 2 O 、 FeCl 3 和Na 2 S 2 O 3 · 5H 2 O 等组成。结合腐蚀孔的形貌 ( 图6)及临近区域的

金相观察。表明 , 腐蚀穿孔是基体金属铁被 S 、 Cl 、 O 等腐蚀性质直接氧化 ( 或硫化 ) 及在高温熔融硫酸盐作用下加速氧化 ( 或硫化 ) 的结果。含尘燃气的冲蚀作用更加速了穿孔的进程。

(1) 直接氧化作用

可能的反应式有 2Fe + 3Cl 2 → 2FeCl 3 , 4Fe + 3O 2 →2Fe 2 O 3 ,Fe + S → FeS 及 Fe + SO 3 + H 2 O → FeSO 4 + H 2 等。其中 ,S 、 Cl 、 SO 3 等来源于燃煤及其燃烧反应 ( 具体反应见下 ) 。

(2) 熔融盐的加速氧化作用 

燃煤中的赤铁矿 FeS 2 及黄铁矿 FeS 等物质在燃烧过程中形成了 SO 2 、 SO 3 等 , 其反应式如下 :

4FeS 2 + 11O 2 → 8SO 2 + 2Fe 2 O 34FeS + 7O 2 → 4SO 2 + 2Fe 2 O 32SO 2 + O 2 → 2SO 3形成的 SO 3 与燃煤中的 Na 2 O 等无机化合物发生如下反应 :SO 3 + Na 2 O → Na 2 SO 4Na 2 SO 4 + SO 3 → Na 2 S 2 O 3 + 2O 2形成 Na 2 S 2 O 3 ( 或反应形成 MS 2 O 3 ) 等熔融盐 ( 熔点约 400 ℃ )加速了基体金属铁的腐蚀 , 其反应式如下 ( 以 M=Na 为例) :3Na 2 S 2 O 3 + Fe 2 O 3 → 2Na 3 Fe(SO 4 ) 32Na 3 Fe(SO 4 ) 3 + 11Fe → 3Na 2 SO 4 + 4Fe 2 O 3 + 3FeS含尘烟气的高速冲刷使表层腐蚀产物剥落而减薄。腐蚀及烟气对腐蚀产物的冲蚀剥落不断交替进行 , 最终在20g高压锅炉管管子的向火面发生局部穿孔。

三、结论

(1) 由于20g高压锅炉管钢管内壁形成一层较厚的 Ca 、 Mg 、 Al 离子沉积物 , 钢管导热能力下降 , 使向火面温度升高 ( 高于 470 ～480 ℃ , 低于 Ac 1 温度) ,从而发生高温蠕变。同时 , 钢中珠光体的碳化物球化导致钢的蠕变强度及持久强度降低 , 最终使钢管发生蠕变断裂。

(2) 由于燃煤中含 S 或 S 的化合物较多 , 在燃烧过程中产生高温熔融盐 , 加速基体铁的氧化腐蚀。腐蚀沉积物在含尘烟气的高速冲刷作用下剥落。这两个过程交互作用 , 最终使钢管发生减薄而穿孔。

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