20G钢锅炉烟道管开裂原因

胡 曼, 倪文啸, 薛俊峰, 王 栋, 王立涛

(日照钢铁控股集团有限公司, 日照 276806)

国内无缝钢管主要采用热轧管生产工艺进行生产，热轧管生产工艺主要有两种：二辊斜轧穿孔-连轧-张力减径生产工艺；斜轧穿孔-斜轧(三辊轧管机)-减定径生产工艺[1]。20G钢无缝钢管主要应用于高压和超高压锅炉的过热器管、再热器管、导气管、主蒸汽管等。20G钢锅炉烟道管的工作压力一般在9.8 MPa以上，工作温度为800～1 000 ℃，钢管在高温烟气和水蒸气的共同作用下会发生氧化和腐蚀，因此要求钢管具有较高的持久强度及较好的抗氧化腐蚀性能，并有良好的组织稳定性。某厂所用的20G锅炉烟道管在使用过程中发生开裂，笔者采用化学成分分析、金相检验、力学性能测试、扫描电镜及能谱分析等方法，分析了该锅炉烟道管发生开裂的原因。

1 理化检验

1.1 宏观观察

开裂20G钢锅炉烟道管的宏观形貌如图1所示，可见裂口位置明显胀粗，裂纹沿纵向延伸[2]，裂纹长度约为10 mm，宽度约为2 mm。

图1 开裂20G钢锅炉烟道管的宏观形貌

1.2 力学性能测试

在开裂锅炉烟道管上取样，对其进行力学性能测试，结果如表1所示。由表1可知，20G钢锅炉烟道管各项力学性能均符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》的要求。

表1 20G钢锅炉烟道管的力学性能测试结果

1.3 化学成分分析

在开裂锅炉烟道管上取样，对其进行化学成分分析，结果如表2所示。由表2可知，20G钢锅炉烟道管的化学成分符合GB/T 5310—2017的要求。

表2 20G钢锅炉烟道管的化学成分分析结果 %

1.4 夹杂物检验

在开裂锅炉烟道管上沿与裂纹平行的截面取样，依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对试样进行夹杂物评级，结果如表3所示。由表3可知，试样的非金属夹杂物等级为球状氧化物类细系0.5级。

表3 20G钢锅炉烟道管中夹杂物的评级结果 级

1.5 金相检验

在开裂锅炉烟道管上取样进行金相检验，取样位置如图1所示，金相检验结果如图2所示。由图2可知：开裂处存在一条贯穿裂纹，裂纹周围有氧化物，且未发现大颗粒夹杂及卷渣；腐蚀后可见裂纹周围组织存在脱碳现象，裂纹周围局部组织晶界存在氧化现象；裂纹周围及靠近裂纹位置均存在浮凸的棕黄色元素富集相，并且存在严重的魏氏组织，魏氏组织评级为3.5级；基体组织为铁素体+珠光体。

图2 20G钢锅炉烟道管的微观形貌

1.6 能谱分析

在裂纹周围及靠近裂纹位置的棕黄色元素富集相和基体处取样，并对其进行能谱分析，结果如图3和表4所示。由图3和表4可知：棕黄色元素富集相呈浮凸状，富集相内含有Cu，Fe，C元素和少量的Mn，O元素；基体处仅含有Fe，C元素。

图3 元素富集相和基体处能谱分析位置及能谱图

表4 元素富集相和基体处的能谱分析结果 %

2 综合分析

由上述理化检验结果可知，开裂锅炉烟道管的裂纹周围组织存在明显的脱碳现象，局部晶界存在高温氧化特征，并且裂纹周围存在严重的魏氏组织，其级别达到了3.5级。未开裂位置的基体组织为铁素体+珠光体，无魏氏组织，说明锅炉烟道管开裂位置产生了严重的过热情况。锅炉烟道管中未开裂位置组织正常，仅开裂位置组织过热，说明该过热组织是在后续使用过程中产生的。锅炉烟道管的工作温度为800～1 000 ℃，内部采用350 ℃水冷介质，现场查看其开裂位置，发现该锅炉烟道管应该存在一段时间的断水现象，具体时长无法确认，原因可能是在断水时，管道无法及时冷却而存在高温环境，导致该位置严重过热，产生了魏氏组织。当钢中含碳量约为0.2%(质量分数，下同)时，会有魏氏组织产生，而该开裂锅炉烟道管的含碳量为0.19%，易产生魏氏组织[3]。魏氏组织是一种过热缺陷，其会降低钢的塑性和韧性，提高钢的脆性转变温度[4-5]，导致管道发生开裂。

裂纹周围及靠近裂纹位置均存在浮凸的棕黄色元素富集相，这种富集相具有沿奥氏体晶界分布的特征，富集相内含有75%～85%的Cu元素。该开裂锅炉烟道管的化学成分符合GB/T 5310—2017的要求，因此Cu元素的富集应该发生在该开裂锅炉烟道管的使用过程中，因过热造成了Cu元素富集。加热氧化对Cu元素的富集分布影响较大，加热氧化越严重，Cu元素越容易向基体内部渗透并扩展[6]，形成沿晶界分布的Cu元素带，晶界氧化严重破坏了基体的连续性，使其高温强度及韧性降低，最终导致管道开裂。

3 结语及建议

造成20G钢锅炉烟道管开裂的主要原因是：一段时间的断水导致局部出现异常高温环境，异常高温环境造成严重过热现象，使材料产生魏氏组织，从而降低了钢的塑性和韧性；同时过热还造成了Cu元素在晶界富集，使晶界氧化，最终使管道发生开裂。

建议：加强对水处理和水质监测的管理，增加除氧和除铁设备，避免因长时间水垢累积而造成的锅炉管堵塞断水；充分利用好停炉检修阶段，请专业人员对锅炉管进行除垢清灰、维修保养；加强监督，在大修、中修、小修、停炉检修中，除了对常规项目进行检查，还需要对锅炉管道进行无损检测，观察其有无堵塞情况，及时记录并处理。