修大鵬，張新恩

(山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014)

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【新材料】

煤氣發(fā)生爐立面鋼板斷裂失效分析

修大鵬，張新恩

(山東省科學(xué)院新材料研究所，山東 濟(jì)南 250014)

摘要：采用光譜儀、金相顯微鏡以及電子探針顯微分析儀等對(duì)煤氣發(fā)生爐立面Q235B鋼板斷裂處的化學(xué)成分、斷面形貌和夾雜物成分等進(jìn)行了失效分析。認(rèn)為鋼板中存在的帶狀金相組織是導(dǎo)致鋼板斷裂的主要原因，少量的硫化物和硅酸鹽混合夾雜也對(duì)鋼板性能產(chǎn)生了影響。提出了在鋼材冶煉過程中減少夾雜物的產(chǎn)生、采取正火處理或擴(kuò)散退火消除帶狀組織缺陷等預(yù)防改進(jìn)的措施。

關(guān)鍵詞：磨損腐蝕；應(yīng)力集中；疲勞斷裂；金相組織

隨著煤炭、石油和天然氣等常規(guī)能源的日益減少，提高其使用能效的需求變得越來越重要。煤氣發(fā)生爐作為一種高效提升燃煤使用能效的設(shè)備，可以將燃煤轉(zhuǎn)化為煤氣，燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生硫化物、氮化物等污染物，降低了環(huán)境污染，提高了使用效率，節(jié)約了燃煤用量，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也日益廣泛[1]。然而由于煤氣發(fā)生爐工作狀況復(fù)雜，使用過程中鋼板斷裂等失效事故時(shí)有發(fā)生，會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2]，因此采用光譜儀、金相顯微鏡和電子探針顯微分析儀等儀器，從宏觀和微觀角度分析煤氣發(fā)生爐的鋼板失效原因成為研究人員當(dāng)下急需解決的課題[3]。

某工廠煤氣發(fā)生爐在服役一年后突然發(fā)生鋼板立面斷裂事故，鋼板斷裂處位于爐體爐膛中央，材質(zhì)為Q235B，爐體設(shè)計(jì)最高溫度為250 ℃，工作壓力可達(dá)到0.02 MPa，燃燒狀態(tài)下的爐膛溫度，在沒有水冷狀況下，能達(dá)到1 200 ℃，極易發(fā)生過熱變形[4]。為查明斷裂性質(zhì)和原因，本文忽略人為因素，主要采用對(duì)斷裂立面進(jìn)行斷口檢查、化學(xué)成分分析及顯微組織檢測等手段，對(duì)其進(jìn)行失效分析，找尋失效原因，并提出預(yù)防改進(jìn)的措施[5]。

1理化分析與結(jié)果

1.1斷面物理分析

1.1.1宏觀形貌分析

煤氣發(fā)生爐立面鋼板從爐膛中央開裂至頂板連接處，在體視顯微鏡下觀察鋼板立面斷面，其宏觀形貌如圖1所示。發(fā)現(xiàn)其斷面呈層層木紋狀，根據(jù)理論判斷該木紋狀斷口是由于組織中存在夾雜物導(dǎo)致應(yīng)力集中引起的脆性斷口。圖中可見明顯的磨損腐蝕痕跡，腐蝕區(qū)域呈現(xiàn)棕色，有嚴(yán)重的腐蝕溝，斷面沿著腐蝕溝裂紋較大，具有典型的疲勞斷裂特征。疲勞斷裂延伸區(qū)域較小，約占斷面面積的1/5；而瞬間斷裂區(qū)域較大，表明鋼板工作時(shí)承受了較大的載荷。

圖1　煤氣發(fā)生爐立面鋼板斷口的宏觀形貌Fig.1　Macro morphology of gas generator facade plate fracture

1.1.2微觀形貌分析

用汽油清洗鋼板斷面后，在掃描電鏡下觀察斷面瞬間斷裂區(qū)的微觀形貌，如圖2所示。該斷口周邊已被氧化腐蝕，裂紋起源于磨損腐蝕部位的腐蝕溝一端， 斷口瞬斷區(qū)的微觀特征表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷口，且為脆性斷口。斷面裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌如圖3所示，在電鏡下能觀察到明顯的二次裂紋，且存在著氧化腐蝕現(xiàn)象。用能譜儀對(duì)斷裂區(qū)的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，銹蝕層的基本元素除了鐵之外，主要有氧、硫、鋅、鋁和硅等，未發(fā)現(xiàn)有氯元素存在。

圖2　煤氣發(fā)生爐立面鋼板瞬間斷裂區(qū)的微觀形貌Fig.2　Micro morphology of instantaneous fracture zone

圖3　煤氣發(fā)生爐立面鋼板裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌Fig.3　Micro morphology of crack spreading area

1.2斷面化學(xué)檢測

1.2.1化學(xué)成分分析

將煤氣發(fā)生爐立面鋼板取樣在砂紙上打磨掉表面層后，在OBLF750直讀光譜儀上對(duì)打磨區(qū)進(jìn)行光譜激發(fā)測試，分析結(jié)果見表1，其化學(xué)成分符合GB/T 700-2006碳素結(jié)構(gòu)鋼[6]中Q235B鋼的成分要求。

表1　煤氣發(fā)生爐立面鋼板的化學(xué)成分

1.2.2夾雜物成分分析

在鋼板立面斷口附近取樣，用砂紙打磨掉表面層并拋光后不浸蝕，制成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，采用電子探針顯微分析儀對(duì)其中的夾雜物進(jìn)行微區(qū)成分分析，鋼中夾雜物主要是硫化物和硅酸鹽混合夾雜。硫化物夾雜主要是MnS，其顯微結(jié)構(gòu)呈細(xì)長鏈形的針狀?yuàn)A雜形態(tài)，如圖4所示，任取兩點(diǎn)分析硫化物夾雜的化學(xué)成分如表2所示。硅酸鹽夾雜成分非常復(fù)雜，這類夾雜物主要是由于鋼在凝固過程中二次氧化、卷渣、包襯侵蝕或化學(xué)反應(yīng)等原因形成的，以玻璃相的形態(tài)存在于鋼中，如圖5所示，任取兩點(diǎn)分析硅酸鹽夾雜的化學(xué)成分如表3所示。

圖4　硫化物夾雜形態(tài)Fig.4　Inclusions form of sulfide

圖5　硅酸鹽夾雜形態(tài)Fig.5　Inclusions form of silicate

成分MnFeS點(diǎn)159.186.7134.11點(diǎn)260.922.9936.09

表3　鋼板中任取兩點(diǎn)硅酸鹽夾雜物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

過量的硫化物和硅酸鹽等非金屬夾雜物作為獨(dú)立相存在于鋼板中，會(huì)嚴(yán)重影響其塑性、韌性及耐腐蝕性能，破壞鋼基體組織的連續(xù)性和均勻性，同時(shí)導(dǎo)致夾雜處應(yīng)力集中，在負(fù)荷條件下易引起疲勞斷裂。從表1中可以看出各元素的含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)含量，從圖4和圖5可以看出夾雜物比較集中，形成夾雜缺陷，對(duì)宏觀形貌中的脆性木紋狀斷口產(chǎn)生一定的作用，但是硫化物和硅酸鹽等非金屬夾雜物不是導(dǎo)致鋼板斷裂的主要原因。

1.3金相組織分析

采用4%硝酸酒精清洗斷面，在掃描電鏡下觀察其縱向(圖6)和橫向顯微組織(圖7)，可以發(fā)現(xiàn)其縱向和橫向斷口具有明顯的2～3級(jí)帶狀組織，顯微組織很細(xì)，主要由鐵素體和珠光體晶粒組成，沿軋制方向平行排列，成層狀分布。

帶狀組織極大地破壞了鋼基體組織的連續(xù)性和均勻性，形成各向異性，降低了鋼板的塑性、韌性和斷面收縮率等各種機(jī)械性能，導(dǎo)致鋼板受熱時(shí)容易發(fā)生變形等不良后果[7]。珠光體的形態(tài)為片狀珠光體，其高倍顯微組織如圖8所示。

圖6　煤氣發(fā)生爐立面鋼板的縱向顯微組織Fig.6　Longitudinal micro-structure of facade plate of gas generator

圖7　煤氣發(fā)生爐立面鋼板的橫向顯微組織Fig.7　Horizontal micro-structure of facade plate of gas generator

圖8　煤氣發(fā)生爐立面鋼板顯微組織中珠光體的形態(tài)Fig.8　Pear-lite morphology in the micro-structure of facade plate of gas generator

2討論

理化分析結(jié)果表明，該煤氣發(fā)生爐的鋼板材質(zhì)、化學(xué)成分均符合相關(guān)技術(shù)要求。從斷面宏觀及微觀形貌中看出，該斷口磨損銹蝕嚴(yán)重，宏觀形貌呈木紋狀斷口特征，微觀形貌表現(xiàn)為準(zhǔn)解理脆性斷口特征，其斷裂過程是氧化腐蝕應(yīng)力等因素綜合作用的結(jié)果。鋼板中存在少量的硫化物和硅酸鹽等非金屬夾雜物導(dǎo)致應(yīng)力集中，對(duì)鋼板斷裂產(chǎn)生一定影響。鋼板的金相組織為鐵素體加珠光體，縱向和橫向呈2～3級(jí)帶狀組織分布，導(dǎo)致了鋼基體組織的不均勻性，嚴(yán)重降低了鋼板的機(jī)械性能。

為了防止類似事故的發(fā)生，應(yīng)盡可能減少鋼材冶煉及澆注過程中夾雜的產(chǎn)生，設(shè)法排除已存在于鋼材中的夾雜物，降低鋼材軋制過程中有害夾雜物含量，并對(duì)鋼板中的夾雜物進(jìn)行定性和定量的檢測，找出規(guī)律、改進(jìn)工藝，提高質(zhì)量。為了減少帶狀組織缺陷的發(fā)生，可用電渣重熔、增大結(jié)晶速度、提高終軋溫度、增大鍛造比或擴(kuò)散退火等方式來改善或避免，而帶狀組織的消除一般采取正火處理[8]。

3結(jié)論

通過對(duì)鋼板斷口進(jìn)行理化分析，發(fā)現(xiàn)鋼板中帶狀金相組織是導(dǎo)致鋼板斷裂的主要原因。鋼板中含有大量的帶狀金相組織，成層狀平行排列分布，能破壞鋼基體的連續(xù)性和均勻性,降低鋼板的機(jī)械性能。鋼板中的夾雜物含量雖然少，但在室溫下塑性很差，屬于脆性相，與鋼基體的結(jié)合力很弱，且在鋼板中比較集中，形成夾雜缺陷，導(dǎo)致鋼板中產(chǎn)生應(yīng)力，對(duì)鋼的性能產(chǎn)生一定影響，在長時(shí)間的載荷作用下易發(fā)生疲勞斷裂。

參考文獻(xiàn):

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[4]張軍.煤氣發(fā)生爐安全運(yùn)行探析[J].山西科技,2010,25(3):92-94.

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[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 700-2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼[S]．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007.

[7]中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 13299-91鋼的顯微組織評(píng)定方法[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1992.

[8]駱曉玲,徐坤山.煤氣發(fā)生爐爆炸事故原因及預(yù)防措施[J].煤氣與熱力, 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

中圖分類號(hào)：TG255

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-4026(2016)02-0036-05

作者簡介：修大鵬(1981-)，男，助理研究員，研究方向?yàn)榻饘俨牧匣驘o機(jī)非金屬材料在各領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。Email:xiudapeng@126.com

收稿日期：2015-08-25

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.02.008