余熱鍋爐低溫過熱器E3514 出口彎頭開裂分析

張 健 王 云

（1.中國石油蘭州石化榆林化工有限公司；2.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）

過熱器出口管段鋼類屬于碳素鋼，其彎頭處極易發(fā)生開裂出現(xiàn)裂紋［1，2］。筆者通過對某石油化工廠尾氣余熱鍋爐低溫過熱器出口開裂彎頭內(nèi)外壁取樣，進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相組織分析、斷口分析和能譜分析，分析開裂原因，提出改進(jìn)措施，保障尾氣余熱鍋爐低溫過熱器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 基本情況

硫磺回收裝置尾氣余熱鍋爐低溫過熱器E3514 出口彎頭的主要參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)溫度 420℃

操作溫度 小于420℃

設(shè)計(jì)壓力 4.5MPa

操作壓力 3.0MPa

彎頭材料 20G

規(guī)格 DN200mm

工作介質(zhì) 蒸汽

2 檢驗(yàn)檢測

2.1 宏觀檢查

彎頭表面無金屬光澤，覆蓋有大量黑褐色的腐蝕產(chǎn)物， 如圖1a 所示； 將表面腐蝕產(chǎn)物去除后，進(jìn)行PT 檢查，如圖1b 所示，可見內(nèi)彎部位存在多條沿軸向擴(kuò)展的裂紋，其中兩條為穿透型裂紋，長度分別為70mm 和20mm；將彎頭沿裂紋長度的1/2 處徑向剖開， 可見內(nèi)壁表面覆蓋有褐色腐蝕產(chǎn)物，根據(jù)裂紋開口寬度可知，穿透裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，如圖1c 所示，同時(shí)外壁存在大量的未穿透軸向微裂紋，如圖1d 所示；彎頭背彎處內(nèi)外表面PT 檢測均未見裂紋。 宏觀檢查結(jié)果表明， 彎頭內(nèi)彎部位存在多條沿軸向擴(kuò)展的裂紋，通過貫穿裂紋的開口寬度判斷，裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。

圖1 裂紋位置及形貌

2.2 化學(xué)成分分析

對彎頭進(jìn)行光譜分析，結(jié)果見表1，可以看出彎頭材料的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2017 對20G 材料的要求。

表1 彎頭材料的化學(xué)成分 %

2.3 力學(xué)性能分析

從彎頭內(nèi)彎處取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表2，可以看出，彎頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均不符合GB/T 5310—2017 對20G 材料的要求，強(qiáng)度降低，抵抗壓力的能力減弱；樣品內(nèi)彎近外壁區(qū)、心部和近內(nèi)壁區(qū)3 個(gè)部位的維氏硬度實(shí)測值低于GB/T 5310—2017 對20G 材料的要求，尤其近外壁區(qū)、心部的硬度，降低得更為嚴(yán)重。

表2 彎頭材料的力學(xué)性能

2.4 金相組織分析

從彎頭開裂部位截取金相試樣進(jìn)行顯微組織觀察。 位置1 處（圖2a）的裂紋長度約為7mm，實(shí)際金屬厚度明顯小于1/2 壁厚。 彎頭外壁存在灰色氧化層，且存在多條由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展的裂紋，20G 正火態(tài)正常組織為鐵素體+珠光體，彎頭金相組織為鐵素體，整個(gè)截面鐵素體晶界處存在大量黑色孔洞， 材質(zhì)發(fā)生嚴(yán)重劣化， 如圖2b 所示。

軸向截面顯微組織形貌如圖3 所示，可見該截面組織為鐵素體，整個(gè)截面存在大量微裂紋和黑色孔洞， 其中近外壁區(qū)和心部較近內(nèi)壁區(qū)嚴(yán)重。

2.5 斷口分析及能譜分析

2.5.1 斷口形貌分析

將裂紋尖端樣品打開， 得到如圖4a 所示的斷口，裂紋斷裂面呈黑色，灰色區(qū)域具有金屬光澤，為人工打斷區(qū)域。 金相樣品裂紋顯微組織拋光態(tài)下進(jìn)行掃描電鏡形貌分析，可見整個(gè)截面存 在大量黑色孔洞，與金相分析結(jié)果吻合（圖4b）。

圖2 金相樣品裂紋顯微組織

圖3 金相樣品軸向截面顯微組織

圖4 斷口形貌及拋光態(tài)SEM 形貌

圖5 為樣品清洗前的斷口形貌，近外壁區(qū)可見裂紋斷裂面覆蓋有大量的白色腐蝕產(chǎn)物，心部伴有球狀氧化物，近內(nèi)壁區(qū)的打斷面呈現(xiàn)韌窩狀形貌，為塑性開裂的特點(diǎn)。 清洗后的斷口形貌如圖6 所示，可見整個(gè)晶界存在大量孔洞，并且斷口中存在層狀的珠光體斷裂形貌。

圖5 樣品清洗前的斷口形貌

圖6 樣品清洗后的斷口形貌

2.5.2 能譜分析

用X 射線能譜儀對斷口表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3、圖7。 由表3 可以看出，斷口表面的腐蝕產(chǎn)物中伴有少量具有腐蝕性的S、Cl 元素；由圖7 可以看出，腐蝕產(chǎn)物以氧化物為主。

表3 元素含量表 wt%

圖7 斷口表面能譜分析

3 討論與分析

從裂紋處斷面掃描電鏡分析可見，斷口晶界處存在大量的孔洞， 具有高溫蠕變開裂的特征。根據(jù)API 571—2011，20G 發(fā)生蠕變的閾值溫度為371℃，開裂彎頭為余熱鍋爐出口第1 個(gè)彎頭，在生產(chǎn)過程中，彎頭在高于371℃下長時(shí)間運(yùn)行，材料發(fā)生高溫蠕變，組織發(fā)生劣化，產(chǎn)生大量的蠕變孔洞，珠光體已經(jīng)完全消失［3］。

抗拉強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，已降至標(biāo)準(zhǔn)要求下限的80%；材料硬度嚴(yán)重降低，機(jī)械性能整體下降，已無法滿足現(xiàn)場工況的使用要求；彎頭內(nèi)彎處存在加工應(yīng)力， 運(yùn)行過程中存在工作應(yīng)力，造成內(nèi)彎部位是整個(gè)彎頭的最薄弱區(qū)域。 受介質(zhì)壓力的作用， 材料產(chǎn)生蠕變孔洞連接后形成裂紋，導(dǎo)致彎頭最終發(fā)生開裂。

4 結(jié)束語

余熱鍋爐低溫過熱器E3514 出口彎頭由于使用溫度過高，組織發(fā)生劣化，產(chǎn)生大量蠕變孔洞，最終導(dǎo)致開裂。 后續(xù)相關(guān)人員可根據(jù)材料失效原因，制定針對性的解決措施，以保證設(shè)備的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。