12Cr2MoWVTiB钢管穿孔失效分析

2020-07-07张彦文苏明国

武汉工程职业技术学院学报 2020年2期

张彦文苏明国陶勇

(1.武钢技术中心湖北武汉：430080；2.武汉市德华测试工程有限公司湖北武汉：430013；3.武钢质检中心湖北武汉：430080)

12Cr2MoWVTiB钢管运行过程中早期穿孔失效，钢管直径为φ38(外径38mm，壁厚4.5mm)，穿孔孔隙尺寸约10mm×10mm)。据介绍，失效钢管为干熄焦锅炉二过水管，主蒸汽压力为10.5MPa，外部烟气温度850-960℃，内部过热蒸汽温度540-550℃；管内蒸汽品质：pH值9.4-10.5，二氧化硅含量：<0.02mg/L，全铁<0.02mg/L，钠含量<0.015mg/L。管道破洞有4处(送样管仅1处)，破口处呈腐蚀凹陷状态。为了弄清钢管穿孔失效原因，采用宏观及微观分析方法，对失效钢管进行了相关分析。

1 宏观观察

穿孔试样宏观形貌见图1(a)，孔洞处无明显变形，孔洞边缘极薄。切开后观察穿孔处内表面，可见该部位呈漏斗状，管壁明显比正常部位薄，减薄方向是由内向外，见图1(b)。

图1 试样面宏观形貌

2 化学成分分析

将钢管除去表面氧化层后，钻取屑样做化学成分分析，结果见表1。基体成分均在标准要求范围。

表1 化学成分分析(Wt%)

3 力学分析

在远离钢管破损处取钢管拉伸试样，做力学性能分析，结果见表2，符合标准要求。

表2 力学性能

4 扫描电镜分析

试样经酒精超声清洗后，用Quanta FEG 450扫描电镜及能谱仪分析。截取穿孔部位，扫描电镜下低倍形貌见图2，穿孔周围减薄明显，局部放大可见一些疏松孔洞，见图3，这是高温蠕变的典型特征。管壁内表面已被氧化，能谱分析见图4，主要成分为铁的氧化物，并含有少量的S、Cl等元素。内表>面局部氧化皮剥落部位，可见腐蚀坑存在，其形貌及能谱见图5，S、Cl元素峰明显。说明管内高温介质具有腐蚀性。

图2 穿孔低倍形貌

图3 内侧孔洞

图4 内壁能谱分析

图5 腐蚀坑能谱分析

截取穿孔部位，制作截面试样，抛光后观察，亦可见穿孔部位明显减薄，最薄处不足200μm，见图6，钢管外表面覆盖有抗氧化涂层。远离断口部位钢管厚度约6mm，见图7。穿孔附近钢管内壁截面不同部位能谱分析见图8、图9，主要成分为氧化铁，局部可探测到Cl元素峰。

图6 穿孔界面形貌

图7 正常截面形貌

图8 内壁截面能谱分析(部位a)

抛光面经试剂浸蚀后显示出组织，扫描电镜下高倍观察，可见穿孔附近组织(见图10)及正常部位组织(见图11)中碳化物多数聚集在晶界，能谱分析见图12，Cr、Mo元素含量较高，说明为Cr、Mo元素碳化物。

图10 穿孔部位高倍组织

图11 正常部位高倍组织

图12 穿孔部位碳化物能谱分析

5 金相分析

金相显微镜观察组织，试样穿孔附近(见图13)及远离穿孔部位组织(见图14)均为退化了的块状贝氏体+碳化物。上述所有金相磨面上均未见异常夹杂物分布。

图13 穿孔部位组织

图14 正常部位组织

6 讨论

穿孔部位可见明显疏松孔洞，这是高温蠕变的典型特征。钢管外壁抗氧化涂层完好，只是内壁氧化减薄严重，氧化铁与钢管内侧基体界面氧化产物中S、Cl元素峰明显，说明管内介质具有较强的腐蚀性。管壁上沉积的氯盐在高温有氧条件下，会与表面的氧化物膜发生反应，释放出腐蚀性强的Cl2。

4FeCl2+3O2=2Fe2O3+4Cl2

氯气在金属氯化反应中消耗，又在氯化物氧化过程中释放，并以催化剂的形式加速金属氧化，形成自催化氧化。因此，生成的氯气对合金的腐蚀是自持性的[1-2]。钢管在较高温度下运行，长期受管内腐蚀性介质冲蚀，碳化物发生转变，一些高Cr碳化物逐渐富集于晶界，降低了基体Cr含量，基体抗腐蚀性能进一步下降。而且，长期高温运行，穿孔附近组织已经发生明显退化，虽然屈服强度、抗拉强度仍满足要求，但一定的组织退化和减薄，会使钢的蠕变极限和持久强度降低[3-4]。钢管内侧不断氧化冲刷，就使有效厚度不断减小，直至穿孔失效。由于该材料强度较高，没有明显屈服点，所以穿孔失效部位无明显塑性变形。