煤气发生炉立面钢板断裂失效分析

修大鹏，张新恩

(山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014)



【新材料】

煤气发生炉立面钢板断裂失效分析

修大鹏，张新恩

(山东省科学院新材料研究所，山东 济南 250014)

摘要：采用光谱仪、金相显微镜以及电子探针显微分析仪等对煤气发生炉立面Q235B钢板断裂处的化学成分、断面形貌和夹杂物成分等进行了失效分析。认为钢板中存在的带状金相组织是导致钢板断裂的主要原因，少量的硫化物和硅酸盐混合夹杂也对钢板性能产生了影响。提出了在钢材冶炼过程中减少夹杂物的产生、采取正火处理或扩散退火消除带状组织缺陷等预防改进的措施。

关键词：磨损腐蚀；应力集中；疲劳断裂；金相组织

随着煤炭、石油和天然气等常规能源的日益减少，提高其使用能效的需求变得越来越重要。煤气发生炉作为一种高效提升燃煤使用能效的设备，可以将燃煤转化为煤气，燃烧时不会产生硫化物、氮化物等污染物，降低了环境污染，提高了使用效率，节约了燃煤用量，在工业生产中的应用也日益广泛[1]。然而由于煤气发生炉工作状况复杂，使用过程中钢板断裂等失效事故时有发生，会造成严重的经济损失[2]，因此采用光谱仪、金相显微镜和电子探针显微分析仪等仪器，从宏观和微观角度分析煤气发生炉的钢板失效原因成为研究人员当下急需解决的课题[3]。

某工厂煤气发生炉在服役一年后突然发生钢板立面断裂事故，钢板断裂处位于炉体炉膛中央，材质为Q235B，炉体设计最高温度为250 ℃，工作压力可达到0.02 MPa，燃烧状态下的炉膛温度，在没有水冷状况下，能达到1 200 ℃，极易发生过热变形[4]。为查明断裂性质和原因，本文忽略人为因素，主要采用对断裂立面进行断口检查、化学成分分析及显微组织检测等手段，对其进行失效分析，找寻失效原因，并提出预防改进的措施[5]。

1理化分析与结果

1.1断面物理分析

1.1.1宏观形貌分析

煤气发生炉立面钢板从炉膛中央开裂至顶板连接处，在体视显微镜下观察钢板立面断面，其宏观形貌如图1所示。发现其断面呈层层木纹状，根据理论判断该木纹状断口是由于组织中存在夹杂物导致应力集中引起的脆性断口。图中可见明显的磨损腐蚀痕迹，腐蚀区域呈现棕色，有严重的腐蚀沟，断面沿着腐蚀沟裂纹较大，具有典型的疲劳断裂特征。疲劳断裂延伸区域较小，约占断面面积的1/5；而瞬间断裂区域较大，表明钢板工作时承受了较大的载荷。

图1　煤气发生炉立面钢板断口的宏观形貌Fig.1　Macro morphology of gas generator facade plate fracture

1.1.2微观形貌分析

用汽油清洗钢板断面后，在扫描电镜下观察断面瞬间断裂区的微观形貌，如图2所示。该断口周边已被氧化腐蚀，裂纹起源于磨损腐蚀部位的腐蚀沟一端， 断口瞬断区的微观特征表现为准解理断口，且为脆性断口。断面裂纹扩展区的微观形貌如图3所示，在电镜下能观察到明显的二次裂纹，且存在着氧化腐蚀现象。用能谱仪对断裂区的腐蚀产物进行分析，锈蚀层的基本元素除了铁之外，主要有氧、硫、锌、铝和硅等，未发现有氯元素存在。

图2　煤气发生炉立面钢板瞬间断裂区的微观形貌Fig.2　Micro morphology of instantaneous fracture zone

图3　煤气发生炉立面钢板裂纹扩展区的微观形貌Fig.3　Micro morphology of crack spreading area

1.2断面化学检测

1.2.1化学成分分析

将煤气发生炉立面钢板取样在砂纸上打磨掉表面层后，在OBLF750直读光谱仪上对打磨区进行光谱激发测试，分析结果见表1，其化学成分符合GB/T 700-2006碳素结构钢[6]中Q235B钢的成分要求。

表1　煤气发生炉立面钢板的化学成分

1.2.2夹杂物成分分析

在钢板立面断口附近取样，用砂纸打磨掉表面层并抛光后不浸蚀，制成标准金相试样，采用电子探针显微分析仪对其中的夹杂物进行微区成分分析，钢中夹杂物主要是硫化物和硅酸盐混合夹杂。硫化物夹杂主要是MnS，其显微结构呈细长链形的针状夹杂形态，如图4所示，任取两点分析硫化物夹杂的化学成分如表2所示。硅酸盐夹杂成分非常复杂，这类夹杂物主要是由于钢在凝固过程中二次氧化、卷渣、包衬侵蚀或化学反应等原因形成的，以玻璃相的形态存在于钢中，如图5所示，任取两点分析硅酸盐夹杂的化学成分如表3所示。

图4　硫化物夹杂形态Fig.4　Inclusions form of sulfide

图5　硅酸盐夹杂形态Fig.5　Inclusions form of silicate

成分MnFeS点159.186.7134.11点260.922.9936.09

表3　钢板中任取两点硅酸盐夹杂物成分(质量分数%)

过量的硫化物和硅酸盐等非金属夹杂物作为独立相存在于钢板中，会严重影响其塑性、韧性及耐腐蚀性能，破坏钢基体组织的连续性和均匀性，同时导致夹杂处应力集中，在负荷条件下易引起疲劳断裂。从表1中可以看出各元素的含量均远远低于标准含量，从图4和图5可以看出夹杂物比较集中，形成夹杂缺陷，对宏观形貌中的脆性木纹状断口产生一定的作用，但是硫化物和硅酸盐等非金属夹杂物不是导致钢板断裂的主要原因。

1.3金相组织分析

采用4%硝酸酒精清洗断面，在扫描电镜下观察其纵向(图6)和横向显微组织(图7)，可以发现其纵向和横向断口具有明显的2～3级带状组织，显微组织很细，主要由铁素体和珠光体晶粒组成，沿轧制方向平行排列，成层状分布。

带状组织极大地破坏了钢基体组织的连续性和均匀性，形成各向异性，降低了钢板的塑性、韧性和断面收缩率等各种机械性能，导致钢板受热时容易发生变形等不良后果[7]。珠光体的形态为片状珠光体，其高倍显微组织如图8所示。

图6　煤气发生炉立面钢板的纵向显微组织Fig.6　Longitudinal micro-structure of facade plate of gas generator

图7　煤气发生炉立面钢板的横向显微组织Fig.7　Horizontal micro-structure of facade plate of gas generator

图8　煤气发生炉立面钢板显微组织中珠光体的形态Fig.8　Pear-lite morphology in the micro-structure of facade plate of gas generator

2讨论

理化分析结果表明，该煤气发生炉的钢板材质、化学成分均符合相关技术要求。从断面宏观及微观形貌中看出，该断口磨损锈蚀严重，宏观形貌呈木纹状断口特征，微观形貌表现为准解理脆性断口特征，其断裂过程是氧化腐蚀应力等因素综合作用的结果。钢板中存在少量的硫化物和硅酸盐等非金属夹杂物导致应力集中，对钢板断裂产生一定影响。钢板的金相组织为铁素体加珠光体，纵向和横向呈2～3级带状组织分布，导致了钢基体组织的不均匀性，严重降低了钢板的机械性能。

为了防止类似事故的发生，应尽可能减少钢材冶炼及浇注过程中夹杂的产生，设法排除已存在于钢材中的夹杂物，降低钢材轧制过程中有害夹杂物含量，并对钢板中的夹杂物进行定性和定量的检测，找出规律、改进工艺，提高质量。为了减少带状组织缺陷的发生，可用电渣重熔、增大结晶速度、提高终轧温度、增大锻造比或扩散退火等方式来改善或避免，而带状组织的消除一般采取正火处理[8]。

3结论

通过对钢板断口进行理化分析，发现钢板中带状金相组织是导致钢板断裂的主要原因。钢板中含有大量的带状金相组织，成层状平行排列分布，能破坏钢基体的连续性和均匀性,降低钢板的机械性能。钢板中的夹杂物含量虽然少，但在室温下塑性很差，属于脆性相，与钢基体的结合力很弱，且在钢板中比较集中，形成夹杂缺陷，导致钢板中产生应力，对钢的性能产生一定影响，在长时间的载荷作用下易发生疲劳断裂。

参考文献:

[1]顾群音.煤气发生炉气化过程分析与提高煤气品质的技术措施[J].上海理工大学学报, 2006,28(1):99-102.

[2]郭富,游鹏飞.工业煤气发生炉危险性评价分析[J].工业安全与环保,2010,36(10):29-30.

[3]王涛.浅析煤气发生炉装置的安全设计要求[J].科教导刊,2010 (16):180-181.

[4]张军.煤气发生炉安全运行探析[J].山西科技,2010,25(3):92-94.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB50195-2013发生炉煤气站设计规范[S]. 北京:中国计划出版社. 2013.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 700-2006 碳素结构钢[S]．北京:中国标准出版社, 2007.

[7]中华人民共和国国家技术监督局.GB/T 13299-91钢的显微组织评定方法[S]. 北京:中国标准出版社,1992.

[8]骆晓玲,徐坤山.煤气发生炉爆炸事故原因及预防措施[J].煤气与热力, 2010,30(1):B11-B13.

Failure analysis of facade plate fracture of gas generator

XIU Da-peng，ZHANG Xin-en

(Institute of New Materials, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

Abstract∶We analyze such failure reasons of steel plate Q235B fracture of gas generator as its chemical composition, fracture appearance and inclusion composition by a spectrometer, a metallurgical microscope, an electron probe, etc. We discover that the main causes of the steel plate fracture are sulfide-silicate inclusion and strip metallographic structure in the steel plate. We further present such prevention and improvement measures as inclusion reduction, normalizing processing or strip structure elimination through diffusion annealing.

Key words∶abrasion and corrosion; stress concentration; fatigue fracture; metallographic structure

中图分类号：TG255

文献标识码：A

文章编号：1002-4026(2016)02-0036-05

作者简介：修大鹏(1981-)，男，助理研究员，研究方向为金属材料或无机非金属材料在各领域内的应用。Email:xiudapeng@126.com

收稿日期：2015-08-25

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.02.008