李建賓, 欽祥斗

(南京鋼鐵股份有限公司, 南京 210035)

Q245R鋼主要用于制造鍋爐及壓力容器的部件，如低溫段過熱器、再熱器、省煤器及水冷壁等[1-2]。由于碳鋼在450 ℃以上長期運(yùn)行會(huì)發(fā)生石墨化，因此受熱面管子的長期最高使用溫度最好在450 ℃以下。Q245R鋼在這一溫度范圍內(nèi)，其強(qiáng)度能滿足過熱器和蒸汽管道對(duì)強(qiáng)度的要求，且具有良好的抗氧化性能、韌性、焊接性能等，其冷、熱加工性能均很好[3-5]。

某公司Q245R鋼鍋爐管在使用8個(gè)月時(shí)發(fā)生了橫向爆管事故，爆管位置在某轉(zhuǎn)彎處前段的直管部分，該鍋爐管的介質(zhì)為水蒸氣，工作溫度為400 ℃，工作壓力為1.2 MPa(設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa)，設(shè)計(jì)管壁厚為4.5 mm，管件外部無其他高溫環(huán)境。為找出該Q245R鋼鍋爐管的失效原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

選取爆管部位和彎管部位的鍋爐管作為分析對(duì)象，如圖1所示，其中1號(hào)和2號(hào)試樣為鍋爐管發(fā)生爆管處，3號(hào)和4號(hào)試樣為未爆管的彎管。分別將2號(hào)和4號(hào)試樣橫向切開，發(fā)現(xiàn)2號(hào)管內(nèi)中空，內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重，管壁呈現(xiàn)黑白兩種顏色，外圈白亮色的管壁較薄，內(nèi)圈呈灰黑色；而4號(hào)試樣白亮色的管壁較厚，管內(nèi)充滿黑色堵塞物，如圖2所示。

圖1 鍋爐管宏觀形貌及試樣編號(hào)Fig.1 Macro morphology and sample number of the boiler tubes

圖2 2號(hào)和4號(hào)試樣的橫截面宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of cross section of sample No.2 and sample No.4

1.2 化學(xué)成分分析

采用ARL-4460型直讀光譜儀分別對(duì)2號(hào)試樣外壁和4號(hào)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表 1。由表1可知，該兩試樣的碳含量差異顯著，2號(hào)試樣外壁的碳含量只有0.018%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，而4號(hào)試樣的碳含量為0.16%，其他元素含量相差不大。

表1 鍋爐管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the boiler tubes (mass fraction) %

1.3 硬度測(cè)試

將2號(hào)和4號(hào)試樣橫截面磨制拋光后，采用KB30S型維氏硬度計(jì)測(cè)試其硬度，其中2號(hào)試樣測(cè)試外壁硬度，結(jié)果見表 2。由表2可知，2號(hào)試樣硬度為90 HV10，4號(hào)試樣硬度為185 HV10，兩者差異顯著。

表2 鍋爐管的硬度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of the boiler tubes HV10

1.4 金相檢驗(yàn)

取2號(hào)試樣外壁和4號(hào)試樣縱向截面，依次鑲嵌、磨拋后采用Axio Imager M2m型光學(xué)顯微鏡檢測(cè)其非金屬夾雜物情況，其非金屬夾雜情況見表3和圖3?？梢?號(hào)試樣B類夾雜1.0級(jí)；4號(hào)試樣B類夾雜2.0級(jí)。

表3 鍋爐管非金屬夾雜評(píng)級(jí)結(jié)果Tab.3 Nonmetallic inclusions rating results of the boiler tubes

圖3 鍋爐管非金屬夾雜物形貌Fig.3 Morphology of nonmetallic inclusions of the boiler tubes: a) sample No.2; b) sample No.4

圖4 2號(hào)試樣橫截面拋光態(tài)局部形貌Fig.4 Polished morphology of local cross section of sample No.2

取2號(hào)和4號(hào)試樣橫截面，依次鑲嵌、磨拋和浸蝕，采用Axio Imager M2m型光學(xué)顯微鏡觀察其拋光態(tài)形貌和顯微組織形貌。2號(hào)試樣橫截面局部拋光態(tài)形貌見圖4，可見內(nèi)側(cè)氧化層厚度達(dá)2 914 μm，外側(cè)未被氧化的管壁厚度只有3 110 μm。圖5為2號(hào)和4號(hào)試樣內(nèi)表面拋光態(tài)形貌，可見2號(hào)試樣有明顯內(nèi)氧化及晶間腐蝕，深約60 μm，而4號(hào)試樣除表面氧化層，無明顯內(nèi)氧化及晶間腐蝕特征。圖6為2號(hào)和4號(hào)試樣內(nèi)表面及附近顯微組織形貌，可見2號(hào)試樣的顯微組織為鐵素體， 4號(hào)試樣的顯微組織為鐵素體+珠光體。

圖5 2號(hào)試樣和4號(hào)試樣內(nèi)表面拋光態(tài)形貌Fig.5 Polished morphology of inner surface of a) sample No.2 and b) sample No.4

圖6 2號(hào)試樣和4號(hào)試樣內(nèi)表面顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of inner surface of a) sample No.2 and b) sample No.4

2號(hào)和4號(hào)試樣的基體顯微組織形貌如圖7所示，可見2號(hào)試樣基體顯微組織為鐵素體，晶粒度8級(jí)；而4號(hào)試樣基體顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度10級(jí)。

圖7 2號(hào)試樣和4號(hào)試樣基體的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of matrix of a) sample No.2 and b) sample No.4

1.5 掃描電鏡分析

圖8 2號(hào)試樣斷口整體形貌Fig.8 Overall morphology of fracture of sample No.2

采用Stemi508型體視顯微鏡和Sigma300型掃描電鏡(SEM)對(duì)2號(hào)試樣斷口進(jìn)行分析，其宏觀形貌如圖8所示?？梢姼魈幯趸瘒?yán)重，內(nèi)部呈現(xiàn)圓環(huán)形平臺(tái)，推斷為氧化層，外部向兩邊翻卷，應(yīng)該為金屬基體爆裂所致。裂紋源不明顯，但根據(jù)鋼管工作時(shí)的受力情況，可推斷由內(nèi)側(cè)向外側(cè)爆裂。圖9a)為斷口局部SEM形貌，將其分為靠近內(nèi)表面的A區(qū)、壁厚中心的B區(qū)和靠近外表面的C區(qū)。圖9b)為A區(qū)SEM形貌，該區(qū)有明顯的沿晶特征，而且晶粒粗大；圖9c)為B區(qū)SEM形貌，仍可見部分沿晶形貌；圖9d)為C區(qū)SEM形貌，該區(qū)被氧化層覆蓋，無法觀察斷裂特征。

圖9 鍋爐管斷口SEM形貌Fig.9 SEM morphology of the fracture of the boiler tube: a) zoning diagram; b) zone A; c) zone B; d) zone C

1.6 X射線衍射分析

取4號(hào)試樣管內(nèi)堵塞物，研磨成粉末后采用XRD-7000型X射線衍射(XRD)儀進(jìn)行物相分析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)堵塞物主要為NaCl,Na2CO3等，分析結(jié)果見圖10。

圖10 4號(hào)試樣管內(nèi)堵塞物XRD譜Fig.10 XRD spectrum of blockage in tube of sample No.4

2 分析與討論

由設(shè)計(jì)圖紙可知，Q245R鋼鍋爐管原始壁厚為4.5 mm，Q245R鋼的顯微組織應(yīng)為鐵素體+珠光體。而理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，相比較4號(hào)試樣，爆管處的2號(hào)試樣內(nèi)壁出現(xiàn)明顯腐蝕減薄，而且內(nèi)表面存在明顯內(nèi)氧化及晶間腐蝕特征，其顯微組織為鐵素體，碳含量明顯減少，硬度較低，晶粒長大，說明該處溫度異常，高溫氧化使得管件出現(xiàn)嚴(yán)重脫碳。未爆管的管內(nèi)堵塞物主要為NaCl，Na2CO3等，這可能與水蒸氣的雜質(zhì)有關(guān)。被堵塞的管路在轉(zhuǎn)彎處，由于在該處蒸汽流動(dòng)速度會(huì)降低，導(dǎo)致雜質(zhì)逐漸沉積堵塞管路，蒸汽流動(dòng)不暢，溫度相對(duì)較低，沒有在該處產(chǎn)生脫碳和高溫應(yīng)力腐蝕，而爆管的管子是堵塞管路的前段部分，后面管路堵塞變窄，導(dǎo)致管內(nèi)蒸汽流速和溫度異常，在較高的溫度和腐蝕介質(zhì)作用下，產(chǎn)生高溫應(yīng)力腐蝕，而晶界外更易于氧化腐蝕，促使沿晶斷裂產(chǎn)生。

該Q245R鋼鍋爐管的高溫應(yīng)力腐蝕應(yīng)該為陽極溶解，其機(jī)理是：在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下，表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞，破壞的表面和未破壞的表面分別形成陽極和陰極，陽極處的金屬成為離子而被溶解，產(chǎn)生電流流向陰極。由于陽極面積比陰極的小得多，陽極的電流密度很大，進(jìn)一步腐蝕已破壞的表面， 這種腐蝕在碳鋼中往往呈沿晶特征[6-10]。該Q245R鋼鍋爐管的介質(zhì)中含有較多NaCl，NaCl雖然沒有直接腐蝕性，但其作為電解質(zhì)，增強(qiáng)了溶液的導(dǎo)電性，加速了腐蝕。其化學(xué)原理如下

陽極反應(yīng)

Fe→Fe2++2e-

(1)

陰極反應(yīng)

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

總反應(yīng)

2Fe+2H2O+O2→2Fe(OH)2

(3)

在氧充分的情況下，F(xiàn)e(OH)2進(jìn)一步氧化形成Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3脫水后生成鐵銹。綜合以上理化檢驗(yàn)結(jié)果和分析可以判斷出，該Q245R鋼鍋爐管爆管是因?yàn)樗魵庵蠳aCl，Na2CO3等雜質(zhì)較多，逐漸在管內(nèi)轉(zhuǎn)彎處沉積，導(dǎo)致堵塞，而前段管路因蒸汽流速和溫度異常，在高溫高壓和腐蝕介質(zhì)作用下，管內(nèi)壁不斷被氧化，管壁減薄并脫碳，材料原有的強(qiáng)度被降低了，Q245R鋼鍋爐管承壓能力逐漸變小，當(dāng)承載力小到臨界點(diǎn)時(shí)即發(fā)生爆管。

3 結(jié)論及建議

該Q245R鋼鍋爐管所通水蒸氣中NaCl，Na2CO3等雜質(zhì)較多，使得管道轉(zhuǎn)彎處堵塞變窄，前段管內(nèi)蒸汽流速和溫度異常。在高溫高壓和腐蝕介質(zhì)作用下，管內(nèi)壁不斷被氧化，管壁減薄并脫碳，管子強(qiáng)度大幅降低，不足以承受工作壓力，最終導(dǎo)致爆管。

建議嚴(yán)格控制水質(zhì)，降低水蒸氣中的雜質(zhì)，防止水質(zhì)不合格導(dǎo)致管內(nèi)結(jié)垢。