劉 亮

(安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院，安徽 合肥 230051)

某加熱器放氣管規(guī)格為φ25 mm×3 mm，材質(zhì)為20G。在使用過程中，出現(xiàn)開裂失效現(xiàn)象，如圖1所示。對(duì)開裂管段進(jìn)行金相檢驗(yàn)、硬度和掃描電鏡及能譜分析，進(jìn)行失效分析，查找導(dǎo)致開裂失效的原因[1-2]。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 金相觀察

從失效樣品中裂紋開口處切取試樣，經(jīng)打磨拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，制備金相樣品，顯微組織如圖2所示。裂紋附近組織為：F+P，珠光體區(qū)

圖1 加熱器放氣管開裂Fig.1 Cracking of steam outlet pipe of heater

域中的碳化物開始分散，珠光體形態(tài)明顯，球1級(jí)，晶粒度6級(jí)。圖2(b)中可見裂紋沿管內(nèi)壁貫穿整個(gè)管體，且由內(nèi)壁至外壁方向裂紋寬度收窄，裂紋末端較為尖銳，裂紋的內(nèi)部氧化物清晰可見[3-5]。

(a)內(nèi)壁附近200×；(b)外壁附近100×圖2 試樣金相組織(a)near the inner wall 200×；(b)near the outer wall 100×Fig.2 Microstructure of the sample

1.2 SEM及ESD分析

利用掃描電子顯微鏡，對(duì)管子內(nèi)壁、未貫穿裂紋截面和主裂紋斷裂面進(jìn)行微區(qū)組織SEM及ESD分析。圖3為管子內(nèi)壁的掃描電鏡形貌，由圖可見，在管內(nèi)壁有多條裂紋存在，且呈網(wǎng)狀分布，標(biāo)記1裂紋沿管子周向延伸，標(biāo)記3裂紋部分沿管外壁方向延伸，并且具有一定的深度裂紋端較為尖銳，標(biāo)記2裂紋沿管子軸向擴(kuò)展。

(a)41×；(b)140×圖3 管內(nèi)壁SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the inner wall of tube

圖4為未貫穿裂紋附近的形貌，觀察發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁有多條裂紋存在，與圖3結(jié)果吻合，裂紋起源于管子內(nèi)壁，向外壁方向擴(kuò)展，裂紋附近組織為F+P，裂紋內(nèi)填充有致密氧化物。對(duì)填充的氧化物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示為鐵的氧化物，O/Fe原子比為1.33，符合Fe3O4的原子比例。

圖5為貫穿裂紋斷裂面表面形貌，圖中可見內(nèi)壁附近為裂紋形成區(qū)，管壁方向中間位置為裂紋擴(kuò)展區(qū)，外壁附近為斷裂區(qū)。對(duì)形成區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū)選三處位置分別進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表1所示，形成區(qū)O/Fe原子比為1.39，近似Fe3O4的原子比例，擴(kuò)展區(qū)O/Fe原子比為1.48，近似Fe2O3的原子比例；斷裂區(qū)在近外壁的位置，受表面雜質(zhì)元素影響，氧和鐵的原子比偏離正常鐵氧化物的范疇。

1.3 硬度檢測(cè)

利用臺(tái)式布氏硬度計(jì)，在金相試樣表面進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果為：管子硬度134 HB，測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中對(duì)20G的硬度規(guī)定[6]。

(a)裂紋形貌38×；(b)裂紋形貌 1000×；(c)能譜圖4 未貫穿裂紋SEM形貌及能譜(a)crack morphology 38×；(b) crack morphology 1000×；(c) energy spectrumFig.4 SEM morphology and energy spectrum of non-penetrating cracks

圖5 貫穿裂紋表面SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the surface of penetrating crack

序號(hào)元素原子百分比O/Fe原子比ESD.1O46.15Fe33.08C20.36Mn0.411.39ESD.2O46.95Fe31.74C21.311.48ESD.3O38.62Fe20.26C40.21Si0.53Ca0.381.9

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

該管段組織無明顯異常且硬度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。管子周向只有一條裂紋貫穿內(nèi)外壁，并且存在多條未貫穿裂紋。貫穿裂紋形成于管內(nèi)壁，向外壁方向穿晶擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的層疊狀痕跡。未貫穿裂紋內(nèi)部填充有致密的氧化物，裂紋末端尖銳，具有較強(qiáng)擴(kuò)展性。管子內(nèi)壁有一層氧化物，氧化物上分布著不同方向的裂紋，管內(nèi)壁多種方向的裂紋基本已經(jīng)擴(kuò)展到母材中。經(jīng)能譜判斷，管內(nèi)壁氧化物和未貫穿裂紋中的致密氧物為Fe3O4，而裂紋形成區(qū)和斷裂區(qū)氧化物近似Fe2O3俗稱“鐵銹”，是鐵在空氣中氧化的產(chǎn)物，生成不需要很高的溫度，而Fe3O4是在高溫下形成的致密氧化物。加熱器放汽管工作溫度約110 ℃，工作壓力約0.6 MPa，在此工作溫度和壓力下較難形成Fe3O4。因此，管子內(nèi)壁裂紋是在制造過程中產(chǎn)生，屬于制造缺陷。

3 結(jié)論與建議

放汽管制造過程中工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋，裂紋末端尖銳具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，管子服役過程中裂紋向外壁方向擴(kuò)展，最終貫穿內(nèi)外壁導(dǎo)致開裂失效。

建議加強(qiáng)加熱器放汽管產(chǎn)品入廠質(zhì)量驗(yàn)收，對(duì)鋼管進(jìn)行渦流檢查，內(nèi)壁有原始缺陷的管子嚴(yán)禁使用；擇機(jī)更換現(xiàn)役凝水加熱器放汽管，避免存在裂紋的管子繼續(xù)服役導(dǎo)致泄漏。