不锈钢锅炉管破裂失效分析

发布时间：2021-06-17 08:52:43 丨 浏览次数：

特定锅炉发生不锈钢锅炉管破裂错误。本文使用金相显微镜、直读光谱仪、扫描电子显微镜等分析失败的管道。结果表明，失效钢管在高温高压下被氢气腐蚀，腐蚀钢管内壁。它与大量晶间裂纹同时氧化，反应产生较厚的氧化皮层。当停炉或负荷变化较大时，管壁氧化皮层剥落并堆积在某些地方，造成水流不畅或堵塞，使堵塞部位的钢管发热。管道在短时间内因快速过热而破裂。

工业锅炉的受热面管由几根管子组成，在工业锅炉的运行中起着非常重要的作用。水或水蒸气的混合物流经受热面管，烟气、热辐射等各种热量通过对流换热将热量传递给管内介质。不锈钢锅炉管在高温高压下长期工作，其失效机理包括长期过热、短期过热、磨损、烟气侧氧腐蚀、应力腐蚀开裂、热疲劳、高温.腐蚀和质量控制错误。 20G钢管是最常用的不锈钢锅炉管钢。该钢含碳量低，塑性和韧性好，冷热成型和焊接性能好。故障分析和预防有很大的研究空间。

1. 概述

1.1 故障条件概述

厂用锅炉管道故障锅炉材质为20G钢管，规格62mm左右，管子已使用4年，维修20天后，开启锅炉，压力为炉前压力正常，开炉3天后，多管破裂故障和破裂均面临火灾。破裂口有两种形状，一种是喇叭口，裂缝有明显的膨胀，另一种是无明显膨胀和壳状裂缝，后者大部分没有裂缝。管壁。破裂前，不锈钢锅炉管外燃温度约为900，内温约为270，压力为5.0MPa。

1.2 样品条件和宏观形貌

取爆裂失败的不锈钢锅炉管的两部分，分别记为1和2。管子部分：管子直管部分直径约61.5mm，破裂孔直径明显较粗，鼓包直径67.7mm，管壁厚薄不均，最厚部分5.2 mm，最薄处2.4mm，破裂孔纵向分叉张开，长33.6mm。最大宽度为7.8 毫米。爆破口管壁呈叶片状逐渐减薄，厚度约0.64mm，减薄后的管壁外表面氧化皮有明显的纵向裂纹。领域；破裂口内壁呈暗红色，有明显的氧化层。爆发的宏观外观如图1（a）所示。

2管段：该管直管段直径约62mm，火面内壁高度氧化结垢，颜色呈棕红色、暗红色。剥去氧化皮层后，发现数个腐蚀坑，氧化皮层厚度为0.51.8mm。房面外壁明显氧化，平行于管道轴向的裂纹多，裂纹边缘无光泽，外观等于树皮零。宏观外观如图1所示。 (b) 和图1 (c)。

2 分析方法及结果

2.1 化学成分检测

分析了两个管段的化学成分和两个管段内壁剥落的氧化皮层。两个管段均采用直读光谱仪进行分析，被检管件元件的检验结果均符合GB5310-2008中20G钢管的化学成分要求，如表1所示。对两根管道内壁剥落的氧化皮层的湿化学成分进行分析，氧化铁皮层的主要成分为氧化铁、氧化钙和氧化镁化合物，测试结果见表2 .

2.2 金相分析

2.2.1 非金属夹杂物

对失效管内非金属夹杂物的分析表明，硅酸盐夹杂物分布广泛，多视场，含量高。如图，形状多为连续排列，最长的可达300um左右。 2. 非金属夹杂物的存在通过破坏基体的连续性有助于裂纹的产生和发展。当基体被腐蚀时，非金属夹杂物与基体结合的部分首先被腐蚀，然后界面的局部腐蚀延伸到基体中，引起点蚀，降低了力学性能。它使材料容易断裂。

2.2.2 微观结构

1管段断口形状见如图3(a)，可见管壁边缘很薄，显微组织沿方向拉长变形。显微组织为铁素体+珠光体，珠光体球化明显，根据DL/T674-1999 《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》，球化程度为45级，在晶界析出碳化物。图3(b)。

2 管壁有多条裂缝，呈网状分布。主裂纹由小裂纹组成，同时裂纹沿晶粒生长，是典型的腐蚀裂纹形状。图4(a)。这些细小裂纹的存在破坏了晶粒间的紧密关系，降低了材料的强度和塑性，在外力作用下，极易发生脆性断裂。观察裂纹的显微组织，组织发生高温氧化脱碳，如图4(a)所示，大部分或全部珍珠岩从组织中消失，显微组织主要是铁素体晶粒。虽然珍珠岩保留在组织中，但在珍珠岩和球状石墨中发生了严重的球化，球状水平达到了5 级，如图4（b）所示。由于结构的性质，第二管段具有氢腐蚀和长期过热的特点。

2'管段壳状裂纹的SEM分析表明，裂纹内壁光滑，存在大量腐蚀坑b，如图5（a）所示。破坏是典型的岩石。糖状晶间断裂，为脆性断裂，如图5(b)所示。

3 故障原因分析讨论

1）参照GB5310-2008标准20G配置要求，失效管段化学成分符合标准要求。

2）根据第1段爆裂口宏观形貌和金相分析，爆裂口变宽，管径明显膨胀，管壁逐渐变薄，爆裂处具有延展性。开裂、高温瞬间开裂功能。在破裂球的显微组织中，珍珠岩严重球化，塑性变形使破裂球内的管壁产生细小的裂纹，微观结构沿变形方向伸展。可以看出，破裂口在短时间内接近相变温度Ac1，高温和过热导致该处管壁强度急剧下降。在内部压力的作用下，产生切向拉应力，逐渐扩大管径，缩小管壁。当薄管壁的厚度变得比它所能承受的强度极限更薄时，管子就会破裂。

3）根据2'管段宏观形貌、管子氧化皮层分析、金相组织和断口SEM分析，2'管段氧化皮层和腐蚀坑严重。管壁组织从内壁、从内表面到管壁严重脱碳。沿厚度方向形成大量晶间裂纹，具有典型的长期过热和氢腐蚀特征。在长期高温和氢腐蚀的影响下，管壁表面组织逐渐脱碳，形成氧化铁皮层，使管壁变薄，同时形成的氧化皮层变质锅炉的传热性能。导热系数仅为钢的10%。换句话说，1毫米的刻度相当于将钢管贴在管壁上时加厚。显着增加不锈钢锅炉管的热阻超过几毫米。随着水垢不断增厚，水流受阻，管壁得不到有效冷却，使管壁长期处于过热状态，继续保持钢管的抗拉强度。当管壁温度升高时，球体结构严重变形，出现球状石墨，使不锈钢锅炉管长期过热而出现管轴向裂纹。

4）失效管内C型非金属夹杂物含量高、分布广，有利于形成点蚀和扩大裂纹，从而影响管件使用寿命，造成不锈锅炉管失效。

4。结论

综上所述，这种故障是由两种钢管故障引起的。第一类是短期高温失效，管壁在高温和腐蚀作用下发生氧化反应，形成较厚的氧化皮层。当停炉或负荷变化较大时，管壁上的一层氧化皮会剥落并在某些部位堆积，造成水流不畅或堵塞，造成堵塞，或掉钢或变薄。管子过热，短时间迅速升温，这是造成故障的主要原因。第二种是长期高温失效，在长期过热和氢腐蚀的影响下，使管道轴向开裂而引起失效。氢腐蚀是由水垢下局部酸化和析氢引起的，产生的氢由于水垢的扰动而不能扩散和渗透到材料中。氢腐蚀后，钢管壁被腐蚀，大量出现晶间裂纹，在高温和氢腐蚀的作用下，组织严重脱碳，缩短钢管的使用寿命。对引起龟裂的管件的分析表明，这种不锈钢锅炉管布置已经很久没有使用了。大部分腐蚀坑和裂纹没有穿透整个管壁，裂纹穿透管壁泄漏，所以这是次要故障。