董志紅　蒙殿武　沈全宏　范洪遠(yuǎn)　龔家寶

摘要：某電廠(chǎng)鍋爐的15CrMo材質(zhì)水冷管管壁爆裂，發(fā)現(xiàn)為管道橫向裂紋所致。采用宏觀觀察、掃描電鏡及能譜分析、紅外探傷研究裂紋產(chǎn)生原因，結(jié)果表明：裂紋在焊接熱影響區(qū)粗晶部位萌生，表現(xiàn)為再熱裂紋，內(nèi)部殘余應(yīng)力和壓應(yīng)力導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，同時(shí)向火面有較厚的氧化層，基體組織嚴(yán)重球化，導(dǎo)致力學(xué)性能降低，在高溫?zé)煔猸h(huán)境下腐蝕開(kāi)裂加速了管壁爆裂的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：水冷壁管道;橫向裂紋;15CrMo

中圖分類(lèi)號(hào)：TG文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）05-0057-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.12

0 前言

15CrMo耐熱鋼具有較好的力學(xué)性能及高溫抗腐蝕氧化特性，廣泛用作300 MW和600 MW機(jī)組的電站鍋爐水冷壁管材[1-3]。但是在高溫作業(yè)下，某熱力發(fā)電廠(chǎng)的鍋爐在正常運(yùn)行期間發(fā)生了15CrMo鋼水冷壁管爆裂現(xiàn)象，導(dǎo)致鍋爐停止作業(yè)，給電廠(chǎng)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本研究針對(duì)此開(kāi)裂現(xiàn)象，分析開(kāi)裂原因及其機(jī)理，為水冷壁管道的焊接及材料改善提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品處理

水冷壁管的材質(zhì)為15CrMo，規(guī)格為φ28.4 mm×6.4 mm（最小壁厚）。將切割的樣品進(jìn)行微處理，去除表面的銹垢，超聲清洗后檢測(cè)分析其爆管及周?chē)牧鸭y組織。管材的主要成分如表1所示。

1.2 試樣表征

通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)裂紋進(jìn)行宏觀觀察;通過(guò)超聲波探傷技術(shù)檢測(cè)裂紋深度;采用金相顯微鏡觀察裂紋處組織形貌，通過(guò)掃描電鏡及能譜分析進(jìn)一步分析其向火面及背火面開(kāi)裂處的組織及成分。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀觀察

水冷壁管道宏觀形貌如圖1所示?？梢钥闯觯浔诘墓艿烙幸惶庨_(kāi)裂，導(dǎo)致水往外噴射（見(jiàn)圖1a）。裂紋呈橫向分布（見(jiàn)圖1b、1c），管子向火面表面覆蓋著較厚的灰焦層，水冷壁管鰭片及拼接焊縫上有密集的橫向紋路，特別是兩側(cè)靠近鰭片處，灰焦剝落處可見(jiàn)管子紅褐色氧化層，將管子一側(cè)灰焦全部敲除后可見(jiàn)明顯的凹凸不平的腐蝕平面，管子原有弧度消失。測(cè)量壁厚可知，腐蝕處減薄約0.4～0.8 mm。從外觀上看，此處為典型的高溫腐蝕形貌（見(jiàn)圖1d）。

2.2 顯微組織觀察及能譜分析

為了進(jìn)一步確定焊縫的裂紋深度，用超聲波探傷檢測(cè)，結(jié)果如圖2a所示，主裂紋附近管內(nèi)壁母材存在密集的環(huán)向裂紋。超聲波探傷檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該焊口內(nèi)部有較多的深淺不一的裂紋缺陷，最深處為0.8 mm，大部分表現(xiàn)為較淺的開(kāi)裂，形狀呈鍥狀，上寬下窄。裂紋深入母材內(nèi)壁，開(kāi)裂處顯微組織、主裂紋旁的根部熔合區(qū)域開(kāi)裂處顯微組織、主裂紋的開(kāi)裂、及周?chē)〉牧鸭y如圖2b～2e所示，基本都是穿晶開(kāi)裂，裂紋周?chē)谢疑难趸铩?/p>

焊縫熱影響區(qū)開(kāi)裂和母材開(kāi)裂的顯微形貌及其放大圖如圖3所示。觀察開(kāi)裂部位橫斷面（見(jiàn)圖3a），發(fā)現(xiàn)從裂紋開(kāi)始，向內(nèi)依次是氧化層、熱影響區(qū)、熔合區(qū)及焊縫。氧化層的厚度不均，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)范圍較寬，放大后可觀察到粗大的樹(shù)枝晶，且內(nèi)部有裂紋，表現(xiàn)為晶間開(kāi)裂，這是典型的再熱裂紋特征。裂紋也延伸到母材內(nèi)（見(jiàn)圖3b），表現(xiàn)為開(kāi)裂狀，周?chē)灿谢疑难趸瘜?。進(jìn)一步觀察母材組織，可觀察到胞狀晶，表現(xiàn)為鐵素體和粒狀珠光體，母材的組織結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化。

裂紋處微觀組織如圖4所示，開(kāi)裂的管道口的向火面和背火面的顯微組織均為鐵素體和珠光體，向火面珠光體開(kāi)始分散，鐵素體基體析出大量碳化物，且碳化物顆粒較大，組織已輕度球化，背火面組織未球化。向火面的氧化皮厚度為0.11 mm，氧化皮的顯微組織可見(jiàn)許多黑色坑點(diǎn)。進(jìn)一步放大氧化皮顯微組織，如圖5所示。氧化皮內(nèi)部有大量坑洞和少量的塊狀深色區(qū)域，在深色區(qū)域內(nèi)部有白色短棒狀物。氧化皮的破碎處有很多顆粒狀物質(zhì)。

氧化皮能譜分析如圖6所示。由圖6a可知，能譜1表示白色短棒狀能譜圖，能譜2表示深灰色能譜圖。測(cè)試結(jié)果表明，氧化皮內(nèi)部的深色區(qū)域和白色棒狀物主要成分為Fe和O，白色的短棒狀物質(zhì)含有Na、K、Cl。圖6b為坑洞能譜，可以看出坑洞內(nèi)除了Fe和O外，還有大量的Si，根據(jù)O的原子百分比，坑洞內(nèi)應(yīng)為Fe3O4和SiO2。開(kāi)裂尖端能譜圖如圖7所示，可見(jiàn)除Fe的氧化物外，還含有少量的C、S、Cr，在基體上鼓起的片狀物質(zhì)含有相對(duì)更高的S，如圖7所示。

2.3 裂紋原因分析

從向火面看，水冷壁剛性梁位置水冷壁呈鼓凸?fàn)?，兩道剛性梁之間則呈凹陷狀，這主要與水冷壁管剛性較小及膨脹不暢等因素有關(guān)。熱態(tài)時(shí)，水冷壁向火面管壁溫度高于背火面，因此水冷壁管有向爐內(nèi)彎曲變形的趨勢(shì)，但由于受剛性梁和其他構(gòu)件如中間集箱包廂底部與水冷壁管的連接構(gòu)件等的限制，在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生了一定的壓縮塑性變形量，當(dāng)鍋爐冷卻后，就產(chǎn)生了向爐外彎曲的反變形。鍋爐每次啟停，水冷壁管產(chǎn)生一次反向彎曲變形，即經(jīng)歷一次交變應(yīng)力循環(huán)。這是宏觀上橫向開(kāi)裂的應(yīng)力來(lái)源。微觀上，熱影響區(qū)的粗晶部位呈現(xiàn)晶間開(kāi)裂，表現(xiàn)出再熱裂紋特征。這種裂紋的發(fā)生一定同時(shí)存在著殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，在該焊縫的薄弱地帶，晶界優(yōu)先滑動(dòng)導(dǎo)致微裂紋，在進(jìn)一步熱循環(huán)作用下，殘余應(yīng)力松弛，粗晶區(qū)應(yīng)力集中的晶界滑移變形量超過(guò)了該部位的塑性變形量，產(chǎn)生了再熱裂紋。加之向火面的組織已球化，導(dǎo)致力學(xué)性能降低，也加速了裂紋的發(fā)生[4]。

管上分布著橫向開(kāi)裂，但深度均不超過(guò)1 mm，可以作為早期開(kāi)裂原因分析的依據(jù)（因?yàn)橛行С休d厚度減少，后期開(kāi)裂泄漏主要為應(yīng)力作用）。在這些橫向開(kāi)裂內(nèi)部充滿(mǎn)了氧化腐蝕產(chǎn)物（Fe3O4），大部分開(kāi)裂貫穿表面氧化皮和基體，也能觀察到表面氧化皮開(kāi)裂而基體未開(kāi)裂的現(xiàn)象，以及許多表面較淺的氧化腐蝕坑[5]。

在開(kāi)裂內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物內(nèi)部發(fā)現(xiàn)多處坑洞和白色短棒狀物質(zhì)，坑洞內(nèi)有C、Si等煤灰成分，該白色物質(zhì)主要含F(xiàn)e、O、Cl、K、Na等元素，應(yīng)為熔融態(tài)煤灰冷卻后析出的鹽，因此該處可能存在熔融鹽狀態(tài)下的電化學(xué)腐蝕。

在某些基體開(kāi)裂的尖端與母材交界處異物中還發(fā)現(xiàn)S、Cr，在尖端基體母材上的鼓起片狀物內(nèi)含有大量S，根據(jù)這些物質(zhì)內(nèi)O的含量，這些S應(yīng)該與O結(jié)合形成硫酸根離子（或亞硫酸根等），因此，此處應(yīng)該存在高溫硫腐蝕，也屬于熔融狀態(tài)下的電化學(xué)腐蝕。

高溫腐蝕是指爐內(nèi)水冷壁管在高溫?zé)煔獾沫h(huán)境中發(fā)生的銹蝕現(xiàn)象，它是一個(gè)較為復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，主要與鍋爐采取低氮燃燒方式有關(guān)。由于配風(fēng)氧量較低，因此煙氣氣氛中CO含量較高，使靠近水冷壁金屬表面處于還原性氣氛，促進(jìn)了高溫腐蝕的進(jìn)行。

正常情況下，管子在高溫?zé)煔猸h(huán)境中生成一定厚度的氧化膜（Fe2O3），在達(dá)到一定溫度前，可防止氧化過(guò)程的繼續(xù)，但在超過(guò)管子抗氧化溫度下則會(huì)加劇腐蝕過(guò)程，特別是在燃用含硫量多的煤種時(shí)，腐蝕會(huì)更加劇烈。當(dāng)煙氣中的SO2與高溫管壁接觸時(shí)，在氧化膜（Fe2O3）、積灰等的催化作用下生成SO3，SO3與灰中的堿金屬氧化物化合生成硫化物，而硫化物（特別是Na2S）對(duì)保護(hù)膜（Fe2O3）有侵蝕作用，所以造成了高溫?zé)煔飧g[6-7]。此外，存在于燃料灰分中的高價(jià)氧化釩（V2O5）對(duì)保護(hù)氧化膜（特別是Cr的氧化物）具有溶解作用，也加劇了高溫腐蝕。

3 結(jié)論

水冷壁管15CrMo耐熱鋼管道在工作過(guò)程中出現(xiàn)裂紋，通過(guò)形貌及成分分析可知裂紋呈橫向開(kāi)裂，在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)表現(xiàn)為再熱裂紋，在應(yīng)力作用下沿晶間開(kāi)裂。同時(shí)，在煤粉煙氣作用下，發(fā)生了高溫腐蝕反應(yīng)，當(dāng)裂紋中的氧化皮開(kāi)裂后，腐蝕介質(zhì)進(jìn)一步循環(huán)反復(fù)，加速裂紋擴(kuò)展。除了從焊接工藝上改善外，從冶金方面來(lái)降低殘余應(yīng)力和避免應(yīng)力集中是當(dāng)務(wù)之急。

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