20 MnG 高压锅炉用无缝钢管开裂失效分析

2021-03-24倪栋

科技与创新 2021年4期

倪栋

（厦门市产品质量监督检验院，福建厦门361004）

1 前言

高压锅炉经常处于高温和高压状态，在高温蒸气的长期作用下无缝钢管发生氧化和腐蚀的风险较大[1]，因此对其材质、热处理和加工工艺都有着严格的要求，除了应具有高强度、高抗氧化性能和抗腐蚀性能外，还应有良好的组织稳定性[2]。某高压锅炉在服役工作6 年后发生断裂事故，造成较大的经济损失。高压锅炉的失效主要是无缝钢管发生开裂，无缝钢管所用材料的材质为20 MnG。本文采用化学成分分析、硬度测试、拉伸试验、金相组织检验和断口SEM 扫描电镜分析等试验手段，研究其开裂失效的原因，最后针对开裂失效原因提出了可行的预防和改进建议。

2 实验过程及结果

2.1 化学成分

在无缝钢管的断口处取化学成分分析试样进行测试，结果如表1 所示。从表1 可以看出该无缝钢管的10 个元素化学成分的测试结果均符合标准GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》中20 MnG 材质的规定要求[3]，化学成分合格。

2.2 硬度分析

在无缝钢管断口附件取3 件硬度试样进行检测，分别标识为1#、2#和3#，维氏硬度检测结果如表2 所示。从表2可看出其维氏硬度也满足标准GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》的规定要求[3]。

表1 无缝钢管化学成分检测结果（质量分数单位：%）

表2 无缝钢管维氏硬度检测结果

2.3 拉伸性能分析

沿无缝钢管轴向方向截取3 根拉伸试验样，采用WDW-100 型微控电子万能试验机进行常温拉伸试验，检测结果如表3 所示。从表3 可见，各项指标未见异常，屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均符合标准GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》的技术要求[3]。

表3 无缝钢管拉伸性能检测结果

2.4 金相组织分析

在无缝钢管断口处沿轴向截面取金相试验样，经研磨、抛光、腐蚀后，在徕卡DMⅠRM 金相光学显微镜下进行观察，金相组织如图1 所示，其金相组织形态为铁素体（白色区域）和珠光体（暗色区域）[4]。由于长期处于较高温度下，珠光体片层状渗碳体呈断续状，出现初期的轻微球化，整体组织处于较好状态[5]，符合标准GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》中对20 MnG 高压锅炉用无缝钢热处理工艺应为正火、显微组织形态应为铁素体和珠光体的技术要求。

图1 无缝钢管断口的金相显微组织

2.5 SEM 扫描电镜分析

利用蔡司扫描电镜对无缝钢管断口附近的外表面、内表面和其断面的微观形貌分别进行观察和分析，如图2 所示，无缝钢管外表面和内表面均有明显的裂纹，且内外表面均覆盖一层疏松锈垢。对锈垢进行能谱分析，结果表明，锈垢的主要成分为氧、铁、硅、氯和硫等元素，内表面锈垢的氯含量达7.65%，硫含量达6.32%。无缝钢管断面微观形貌如图3 所示，无缝钢管的断面呈现撕裂状痕迹和大量的腐蚀坑，同样使用EDS 能谱分析仪对断面的腐蚀坑进行分析，发现氯含量和硫含量均较高。

图2 外表面和内表面微观形貌图

图3 无缝钢管断面微观形貌图

3 分析讨论

从上述检测结果和扫描电镜观察分析可知，无缝钢管的化学成分、力学性能和金相组织均符合标准的要求，因此排除材料用错和热处理工艺的问题。从无缝钢管内外表面和断口的SEM 扫描电镜和EDS 能谱分析结果来看，因为高压锅炉长期在高温水蒸气等内外部环境条件运行，其无缝钢管内外壁形成了氧化物、氯化物和硫化物等锈垢，随着锈垢厚度的增加，降低了无缝钢管的热传导性，热效率大大降低，同时使钢管的温度升高，进一步加速了内外表面的腐蚀，造成钢管壁厚及有效截面积减小、内应力增大等不安全因素，继而使得被腐蚀的基体缺陷处萌生裂纹，随着无缝钢管的老化和基体强度的下降，裂纹逐步沿着径向方向向内外表面扩展，最终发生应力腐蚀开裂[6]。