0 引言

工业锅炉受热面管由多根管道组成，在工业锅炉的运作中起着十分重要的作用。水或者水汽混合物在受热面管内流过，烟气及热辐射等各种热量以对流传热的方式将热量传递给管内介质。锅炉管道长期在高温、高压下运行, 其失效机理包括长期过热、短期过热、磨损、烟气侧氧腐蚀、应力腐蚀裂纹、热疲劳、高温腐蚀和质量控制失误等。20 G钢管是最为常用锅炉管道用钢，该钢含碳量较低，有较佳塑性和韧性，其冷热成型和焊接性能良好，其失效分析和预防具有很大的研究空间^[1-2]。

1 概述 1.1 失效情况概述

某厂锅炉炉膛内管道失效锅炉材质为20 G钢管，规格约为ϕ62 mm，管道服役4年，锅炉经检修20天后点炉，点炉前打压正常，点炉后3天发生多管爆裂失效，爆裂口均在向火面。爆裂口存在两种形貌，一种呈喇叭状开口，裂口处明显胀粗，另一种裂口无明显胀粗，形貌为树皮状龟裂纹，且后者居多，部分龟裂纹未穿透管壁。爆裂前锅炉管外部烟气温度900℃左右，内部温度约270℃，压力5.0 MPa。

1.2 样品情况和宏观形貌

取爆裂失效锅炉管中两段，记做1^#和2^#。1^#管段：该管直管段直径约为ϕ61.5 mm，爆裂口处管径明显胀粗，鼓胀处直径为ϕ67.7 mm；管壁厚度不均，最厚处为5.2 mm，最薄处2.4 mm；爆裂口沿纵向开裂，呈喇叭状，长33.6 mm，最大宽度7.8 mm；爆裂口管壁逐渐减薄呈刀刃状，刃口厚度约为0.64 mm，减薄处管壁外表面氧化皮有明显纵向裂纹；爆裂口内壁呈暗红色，有明显氧化层。爆裂口宏观形貌见图 1(a）。

2^#管段：该管直管段直径约为ϕ62 mm，向火面内壁氧化结垢较严重，呈棕红色和暗红色，剥落垢层后发现有多处腐蚀圆坑，氧化结垢层厚度在0.5~1.8 mm。向火面外壁氧化明显，有众多平行于管子轴向的裂纹，破口边缘为钝边，形貌如树皮状^[3-4]，宏观形貌见图 1(b）和图 1(c）。

2 分析方法与结果 2.1 化学成分检测

分别对两个管段和2^#管段内壁剥落氧化垢层进行化学成分分析。两管段试样用直读光谱仪进行成分分析，被检管件各元素成分检验结果均符合GB 5310-2008中20 G钢管的化学成分要求，见表 1。对2^#管段内壁剥落氧化垢层进行湿法化学成分分析，检验结果显示，氧化垢层主要成分为铁氧、钙氧和镁氧化合物，检验结果见表 2。

2.2 金相分析 2.2.1 非金属夹杂物

在对失效管进行非金属夹杂物分析时发现，硅酸盐类夹杂物分布较广，存在多个视场且含量较高，形态多为连续排布，最长的达到300滋m左右，见图 2。非金属夹杂物的存在会破坏基体的连续性，利于裂纹的萌生和发展。在基体受到腐蚀时，非金属夹杂物与基体结合的部位先受到腐蚀，然后界面处的局部腐蚀会向基体扩展，从而造成点蚀，进而降低材料的力学性能，使材料更容易断裂。

2.2.2 显微组织

1^#管段破口处形貌如图 3(a）所示，可以看出管壁边缘已经变得很薄，且显微组织形态沿破口方向拉长变形；破口附近的显微组织为铁素体+珠光体，其中珠光体球化明显，依据DL/T 674-1999《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》，球化级别为4级~5级，且晶界处有碳化物析出，见图 3(b)^[5]。

2^#管段管壁分布有多条裂纹，呈网状分布，主裂纹由细小裂纹组成，同时裂纹沿晶扩展，是典型的腐蚀裂纹形态，见图 4(a）。这些细小裂纹的存在，破坏了晶粒之间的紧密联系，致使材料的强度和塑性降低，在外力的作用下，极易发生脆性断裂。观察裂纹处显微组织发现，组织出现高温氧化和脱碳现象，组织中珠光体大部分或全部消失，显微组织主要是铁素体晶粒，见图 4(a）；管壁中心处的组织中，虽然保留有珠光体，但珠光体已发生了严重的球化现象，甚至出现球状石墨，球化级别达到5级，见图 4(b）。从组织特征看，2^#管段有氢腐蚀和长期过热的特征。

对2^#管段树皮状处裂纹进行SEM分析，断口内壁平滑，存在大量腐蚀坑^[6-9]，见图 5(a）；断口为典型的冰糖状沿晶断裂，为脆性断口见图 5(b）。

3 失效原因分析与讨论

1）参考GB 5310-2008标准中20 G的成分要求，失效管段化学成分符合标准要求。

2）根据1^#管段爆裂口宏观形貌和金相组织分析，爆裂口呈喇叭状张开，管径有明显胀粗，管壁逐渐减薄呈刀刃状，爆裂口为韧性断裂，具有高温瞬时开裂特征。爆裂口处的显微组织中，珠光体球化严重；爆裂口处管壁出现因塑性变形产生的细小裂纹，显微组织随变形方向被拉长。说明爆裂口处在较短时间内受到接近相变温度Ac₁的高温过热，使该处管壁强度急剧下降，在内部压力作用下，产生切向拉应力使管径慢慢胀粗，管壁减薄，当管壁厚度减薄超过其所能承受的强度极限后引发爆管。

3）根据2^#管段宏观形貌、管内垢层分析、金相组织及断口SEM分析，2^#管段内壁氧化垢层严重，内壁出现腐蚀坑，管壁组织脱碳严重，由内表面向管壁厚度方向形成大量的晶间裂纹，具有典型的长期过热和氢腐蚀特征。管壁在长期高温和氢腐蚀影响下，管壁表层组织逐渐脱碳，并生成氧化铁垢层，使管壁减薄，同时形成的垢层会使得锅炉传热性能变差，一般垢层的导热系数只有钢铁导热系数的10%，也就是说，1 mm的结垢附着在管壁上时，相当于对钢管加厚了几毫米甚至更多，大大增加了锅炉管的热阻^[10]。随着水垢的不断增厚，水流受阻，管壁得不到有效冷却，使得管壁长期处在过热的状态下，会使得钢管的抗拉强度不断下降，随着管壁温度升高，组织球化严重，甚至出现球状石墨，锅炉管长期处于超温状态，沿管轴向产生裂纹。

4）失效管中C类非金属夹杂物含量较高且分布较广，这有利于点腐蚀的形成和裂纹的扩展，从而影响管件的使用寿命，对锅炉管失效起到促进作用^[11]。

4 结论

综上所述，本次失效的发生是由2种形式失效的钢管引起的。第1种是短时高温失效，管壁在高温和腐蚀的作用下发生氧化反应，生成较厚的氧化垢层。当停炉或负荷变化较大时，管壁上的氧化垢层容易发生剥落，并在某处聚集，引起水流不畅或阻塞，使阻塞部位或脱落减薄的钢管短时升温剧烈，发生短期过热爆管，这是本次失效最主要的原因。第2种是长时高温失效，该管道在长期过热和氢腐蚀的作用下，产生沿轴向龟裂纹，引发失效。氢腐蚀的产生是由于垢下局部区域酸化并析氢，产生的氢由于结垢的阻碍无法向外扩散转而向材料内部渗入。氢腐蚀发生后，钢管发生管壁腐蚀，形成大量的晶界裂纹，在高温和氢蚀的作用下，使组织严重脱碳，降低钢管的使用寿命。根据对产生龟裂纹管件的分析，该批锅炉管服役时间不长，大部分腐蚀坑和裂纹未穿透整个管壁，只有部分裂纹穿透管壁造成渗水，为本次失效的次要原因。