熱風(fēng)爐出風(fēng)管失效分析

蔡曉文，陳興元

(攀鋼集團(tuán)研究院有限公司 釩鈦資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610300)

1 前 言

作為熱風(fēng)爐出風(fēng)管的不銹鋼，一般含有大量Cr和Ni，不銹鋼基體不僅可形成穩(wěn)定的γ相，而且具有較好的抗蠕變性，在高溫下能持續(xù)作業(yè)，具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性和耐高溫性，適用于排氣管道、熱處理爐、熱交換機(jī)等要求耐熱性的高溫接觸部件[1, 2]。然而，熱風(fēng)爐的出風(fēng)管因工作環(huán)境較為惡劣，長時(shí)間運(yùn)行之后同樣會受高溫氧化、開裂等問題的限制。

2 理化檢驗(yàn)

某不銹鋼制成的熱風(fēng)爐出風(fēng)管膨脹接頭，于700～1000 ℃溫度范圍內(nèi)使用約1年，其接頭處管壁減薄80%～90%，并在嚴(yán)重減薄處發(fā)生脆斷。為確定膨脹接頭過早脆斷的原因，結(jié)合宏觀形貌檢驗(yàn)、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察、傳統(tǒng)金相檢驗(yàn)等手段對失效樣品進(jìn)行了分析。并從不銹鋼的成分、組織和性能以及實(shí)際應(yīng)用需要的角度進(jìn)行了討論。

2.1 宏觀形貌檢驗(yàn)與分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研得知，膨脹接頭工作時(shí)，表面常有發(fā)紅現(xiàn)象，失效管接頭已呈深黑色，說明經(jīng)歷了嚴(yán)重高溫氧化。正對熱風(fēng)爐出熱風(fēng)部位的膨脹接頭管壁厚度減薄，并于此處發(fā)生開裂或斷裂。圖1是失效部位的照片，圖1a中標(biāo)識了試樣A、B、C的取樣位置及取樣編號，隨后檢驗(yàn)的試樣沿標(biāo)記線切割。嚴(yán)重減薄區(qū)域有明顯的塌陷，塌陷處內(nèi)壁照片如圖1b，切割位置如圖中標(biāo)記?？梢钥闯鰶]有頸縮，說明應(yīng)力并不大。

圖1 失效部位的表面形貌(a)和內(nèi)壁形貌(b)照片F(xiàn)ig.1 Representive topography of the outer (a) and the inner (b) surfaces of a failed tube during operation

在失效管樣的塌陷區(qū)和非塌陷區(qū)，沿裂紋將管子撕開，得到人工斷口，經(jīng)體式顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)和非塌陷區(qū)具有不同的斷口形貌，如圖2a～2c。塌陷區(qū)斷口紋理較細(xì)，說明材料還具有一定的韌性，有較長的時(shí)間發(fā)生塑性變形而塌陷；而非塌陷區(qū)顯示“冰糖”狀斷口形貌，說明材料已經(jīng)脆化。塌陷區(qū)和非塌陷區(qū)的管壁厚度均有不同程度的減薄。

圖2 失效管人工斷口形貌照片(a)，塌陷區(qū)(b)和非塌陷區(qū)(c)人工斷口形貌照片F(xiàn)ig.2 Images of the close-up views of the fracture surfaces (a), fractures at collapsed area (b) and uncollapsed area (c)

2.2 SEM斷口觀察與分析

在圖1a中所標(biāo)A處內(nèi)壁位置再截取3個(gè)試樣，分別標(biāo)號為D、H、E，D、H試樣為塌陷區(qū)樣品，E試樣為非塌陷區(qū)樣品，斷面的SEM照片如圖3。從圖3a可以看出，位于塌陷區(qū)的D斷口顯示出韌窩，說明D斷口屬于撕裂型斷口，證明塌陷區(qū)材料具有一定的韌性。同時(shí)，D斷口呈階梯狀，說明試樣受到氣流沖蝕，逐層剝落。從圖3b非塌陷區(qū)的E斷口SEM照片可以看出，斷口微觀形貌為“冰糖”狀，同時(shí)顯示沿晶裂紋。上述特征表明此處試樣顯示晶界分離和逐漸浸蝕，材料已經(jīng)蠕變脆化[3, 4]，晶間結(jié)合力基本喪失，幾乎沒有強(qiáng)度，一碰就開裂。用H試樣來觀察管內(nèi)壁，可知管內(nèi)壁受到氣流沖蝕而凹凸不平，如圖3c。該區(qū)域的局部放大SEM照片如圖3d，可見部分氧化層脫落凹陷，金屬基體裸露，而氧化層沒有脫落的部分凸起。能譜(EDS)結(jié)果顯示，管內(nèi)壁基體中的Mn和Ni僅余少量，Cr也只存在一部分，具體的EDS分析如表1所示。熱風(fēng)管基體材料原始化學(xué)成分見表2。

圖3 D斷口二次裂紋和韌窩(a)，E斷口的“冰糖狀”形貌(b)，塌陷區(qū)試樣H的管內(nèi)壁的形貌(c)，圖3c的局部放大SEM照片(d)Fig.3 SEM images of typical surfaces fracture in D, showing secondary cracks and dimples of ductile fracture (a); surface of fracture of E area in which the fracture appears to be a “Rock candy” (b); the inner surfaces of the collapsed area H (c); detail from fig.3c (d)

表1 管內(nèi)壁塌陷區(qū)的能譜分析結(jié)果Tab.1 EDS result of the inner surfaces of collapsed areas of the tube (ω/%)

2.3 金相分析

在塌陷區(qū)D和非塌陷區(qū)E垂直于斷口制備金相試樣，觀察塌陷區(qū)和非塌陷區(qū)的側(cè)壁上存在的氧化質(zhì)點(diǎn)和蠕變孔洞。使用光學(xué)顯微鏡觀察塌陷區(qū)與非塌陷區(qū)垂直截面拋光面，均發(fā)現(xiàn)楔形或W形三叉點(diǎn)空穴，如圖4a和4b，說明材料已經(jīng)發(fā)生晶間蠕變損傷[5-10]。圖4a所示位置為管樣塌陷區(qū)的近外表面區(qū)域，顯示晶間氧化現(xiàn)象[11]。塌陷區(qū)的蠕變損傷程度較非塌陷區(qū)輕，很少發(fā)生W形裂紋連接，所以斷口顯示韌性斷裂。圖4b顯示非塌陷區(qū)三叉點(diǎn)空穴已經(jīng)寬化并有相互連接的現(xiàn)象，所以在斷口顯示脆性的“冰糖”狀形貌。

表2 失效管樣品化學(xué)成分測定值和0Cr25Ni20不銹鋼的國標(biāo)規(guī)定值Tab.2 Chemical compositions of failed tube compared with standard 0Cr25Ni20 stainless steel (ω/%)

圖4 塌陷區(qū)D晶間氧化和蠕變孔洞(a)，非塌陷區(qū)E內(nèi)壁的蠕變孔洞(b)的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Images of the polished sections about collapsed (a) and uncollapsed (b)

將拋光E試樣用一定配比的HCl+FeCl3水溶液進(jìn)行腐蝕，觀察到樣品基體組織為奧氏體，但已發(fā)生了嚴(yán)重的晶間腐蝕，其奧氏體晶粒度級別為1.5級，說明該部位已嚴(yán)重過熱，如圖5所示。區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)拉長的晶粒，說明最終斷裂發(fā)生在停爐的溫度狀態(tài)。在拋光態(tài)的表面及次表面能看到晶間腐蝕，這可能與晶界析出的碳化物有關(guān)。

圖5 試樣E的腐蝕態(tài)光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.5 Image of the etched sections of the failed tube of E area

2.4 化學(xué)分析

用直讀光譜測定試樣的化學(xué)成分，并與GB/T 20878-2007《不銹鋼及耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)其化學(xué)成分與0Cr25Ni20不銹鋼的化學(xué)成分相似，且符合標(biāo)準(zhǔn)值。由表2可知，送檢試樣的化學(xué)成分基本滿足國標(biāo)規(guī)定值。

3 結(jié) 論

(1)0Cr25Ni20奧氏體不銹鋼制熱風(fēng)爐出口管膨脹接頭的過早失效，主要原因是過量蠕變應(yīng)變導(dǎo)致晶界三叉點(diǎn)開裂擴(kuò)展的結(jié)果。外貌不相同的塌陷區(qū)和非塌陷區(qū)，在顯微特征上僅顯示嚴(yán)重程度不同的晶界三叉點(diǎn)開裂，卻使材料行為發(fā)生了由延性向脆性的轉(zhuǎn)變。

(2)工作溫度是影響出口管蠕變失效的重要因素。在超過0Cr25Ni20鋼許可的高溫(<980 ℃)下使用時(shí)，會造成晶粒粗化、過度氧化和熱腐蝕，這些現(xiàn)象加速了管壁氧化、脫落并最終減薄管壁。管壁減薄到支撐厚度不足時(shí)，已脆化的材料在很小的管內(nèi)熱風(fēng)壓力作用下會引起剩余管壁過載，結(jié)果在蠕變損傷較輕的區(qū)域發(fā)生連續(xù)的塑性變形而塌陷，而在晶間腐蝕嚴(yán)重的蠕變損傷區(qū)發(fā)生脆性開裂。

(3)0Cr25Ni20不銹鋼不適合在1100 ℃高溫條件下使用，因?yàn)槠銫含量高于固溶度，過剩的C與Cr結(jié)合會沿晶界析出Cr23C6型碳化物，造成晶界貧Cr，加速晶界氧化腐蝕，使晶粒分離，從而在無蠕變的條件下也會產(chǎn)生脆性開裂。在晶界高溫氧化的同時(shí)，出口管自由表面也被氧化，使金屬損失，也會造成管壁減薄。

(4)為滿足在1100 ℃溫度條件下安全使用，必須選擇抗蠕變又抗高溫氧化、腐蝕的材料。