20钢锅炉钢管的断裂及腐蚀穿孔失效.pdf

图3 不同工艺条件下钽酸锂膜层 厚度的电镜照片 a温度470℃,电压25V ,反应时间1h b温度470℃, 电压15V ,反应时间1h c温度470℃,电压25V ,反应 时间30min 3 结论 1利用金属钽吸收气体的特性,可以在真空炉中进行 图4 镀膜强化表面至基体硬度 梯度的金相照片 图5 镀膜强化表面至基体硬度 梯度的曲线 11 反应温度520℃ 21 反应温度470℃ 吸氮强化,提高钽材表面硬度,并产生一定的硬度梯度。 2通过电化学镀膜工艺,可在钽材表面形成钽酸锂薄 膜,并产生相对较厚的改性层,可提高钽的表面硬度和改善钽 材的综合力学性能,并有良好的绝缘性。 3金属钽所具有的优良特性,广泛地应用于化工、 宇 航、 电子、 原子能领域,并在这些领域中越来越多地发挥作用, 所以开发和利用新工艺对钽材进行强化处理,在未来的发展 中具有很重要的意义。 参考文献 [1] 辛良佐编译,肖文至校补.钽铌冶金[M]. [2] Her mann. C. starck. Technical Bulletin. 失效分析 20钢锅炉钢管的断裂及腐蚀穿孔失效 吴进明,李志章 浙江大学材料系,浙江杭州 310027 摘要对20钢锅炉管的两种典型失效方式,即断裂和腐蚀穿孔进行了分析。结果显示,钢管内壁形成较厚的Ca、Mg、Al等离子 沉积物是钢管发生高温蠕变断裂的直接原因。另外,钢中珠光体的碳化物球化加速了蠕变断裂的进程。钢管的腐蚀穿孔则是 由于燃煤中含较多硫或硫的化合物,在燃烧过程中产生高温熔融盐,加速基体铁的氧化腐蚀造成的。含尘烟气对腐蚀产物的高 速冲刷也加速了钢管的腐蚀穿孔过程。 关键词失效分析;锅炉钢管;断裂;腐蚀 中图分类号TG157;TG172. 32 文献标识码A 文章编号02542605120000520029204 Fracture and Corrosion Failure of the Boiler Tube 20 Steel WU Jin2ming ,LI Zhi2zhang Dept.of Materials Science boiler tube;fracture;corrosion 1 前言 20钢具备优良的焊接性能及冷热加工性能,无回火脆 性,常用于制造压力不高,使用温度低于450℃,非腐蚀性介 质中服役的管子、 导管等零件,作为锅炉钢,在电厂锅炉、 汽轮 机及管道等方面获得广泛的应用[1]。该钢若使用不当,极易 出现断裂或减薄穿孔而短期失效。本文分析了锅炉炉内管的 两个典型失效事例。 2 断裂件组织观察 宏观检查发现,断裂钢管的断口与钢管中心垂直,占钢管 圆周1/ 3左右。断裂面粗糙,形似黄色树皮。破口边缘较钝, 可见许多厚薄不均、 形似晶粒的龟裂。减薄穿孔钢管照片见 图1。腐蚀孔呈椭圆形,长轴10mm ,短轴3mm ,孔边光滑,壁 厚从使用前的219mm减薄至0117mm。另一小腐蚀孔在大 孔同一轴线,距大孔约15mm处,也发生严重的腐蚀减薄。管 的其它部分出现厚薄程度不一样的鱼鳞状沉积物,呈光滑沥 青状。从剥离处可见其厚度约为015mm ,与基体有明显的分 层,粉碎后呈红褐色。两管件失效部位均为向火面,且内壁都 有大面积的均匀沉积物,厚约012～013mm。 图1 腐蚀穿孔宏观形貌 1 图2为裂纹尖端纵截面的金相组织。尽管组织中还保留 着珠光体形态,其中的碳化物已明显分散,呈颗粒状沿晶界及 晶粒内部弥散分布图2a ,局部区域的珠光体消失,出现 “双 重晶界” 现象图2b ,使用后的钢管组织已发生不同程度的 球化。从图2a中还可看到沿晶界扩展的裂纹。近腐蚀孔处 也发现碳化物球化迹象。同时,腐蚀产物向基体内发展图 3 。两种失效钢管的夹杂物细小弥散,分布均匀。 断裂件的断口形貌示于图4。图4a的低倍形貌显示,断 作者简介吴进明1972 , 男,浙江苍南人,讲师,博士。主要从事颗 粒增强铝基复合材料及机械合金化的研究,发表论文20余篇。 Tel 057127951532 Fax057127951358 E2mail msewjm 收稿日期1999211224 图2 断口纵截面金相 a500 b1000 图3 腐蚀孔周围金相 500 口附近产生大量的塑性变形。同时,在断口上有许多相互交 错的裂纹,并覆盖一层氧化膜图4中光亮处。进一步放大 后发现,沿晶界处形成了很多裂纹,有明显的龟裂图4b、 c 。 穿孔钢管腐蚀产物的表层形貌示于图5中。可见许多表 面微裂纹,表层有气体冲刷的痕迹。图6为腐蚀孔横截面的 扫描电镜照片,其上分布有许多腐蚀微孔和气体冲蚀形貌。 03金属热处理2000年第5期 w w w . b z f x w . c o m 图4 断口形貌 图5 表层腐蚀产物形貌 图6 腐蚀孔形貌 图7 外表层腐蚀产物能谱图 3 腐蚀产物物相分析 图7示出了腐蚀穿孔钢管外表面腐蚀产物的能谱分析结 果。腐蚀产物中包含Fe、S、Cl、Si、Al、Mg、Na等元素。X射线 衍射结果表明,这些元素主要以Fe2O3、FeSO4H2O、6CaO 4SiO23H2O、FeCl3和Na2S2O35H2O等形式存在。此外,还 含有一定数量的FeS、 单质S及Ca、Al、Mg盐由于含量较少, 在图8中没有标出等物质。 能谱分析结果表明,钢管内表面沉积物主要由Fe和Ca 元素构成,并含少量的Cl、Si、Al、Mg等元素图 9 。 图8 外表层腐蚀产物X射线衍射图 11Fe2O3 212CaO4SiO2H2O 31FeSO4H2O 41FeCl3 51Na2S2O3H2O 图9 内表层沉积物能谱图 4 失效原因分析 411 断裂 扫描电镜观察发现,断口表面有许多龟裂的二次裂纹,并 有滑移痕迹图 4 。同时,图2的金相照片显示,断口裂纹基 本沿铁素体晶界扩展,这表明断裂是由于蠕变引起的。另外, 断口一侧的金相照片表明,渗碳体高度球化,珠光体已基本消 失,球状碳化物分布于铁素体晶界及晶内。珠光体的明显球 化表明,锅炉管向火面局部长期处于高温状态不超过Ac1温 13金属热处理2000年第5期 w w w . b z f x w . c o m 度,但高于470～480℃。 已有的研究表明,碳钢在高于300℃时即发生蠕变[2]。 当锅炉管在正常服役环境下工作时,由于管内水及蒸汽的冷 却作用,向火面温度在允许温度之下。对炉管内壁的观察发 现鱼鳞状分布、 厚度达012～013mm的含Ca、Si、Mg等元素 的沉积物。由于其传热能力差,导致钢管向火面温度上升到 远高于300℃,使钢管发生蠕变。此外,由于在高温下长期运 行,钢中珠光体由于渗碳体球化而逐渐消失,使其蠕变极限和 持久强度降低[1]、 蠕变过程加速,提前发生蠕变断裂。 412 腐蚀穿孔 宏观观察发现,锅炉管外表层有厚约015mm的腐蚀层。 扫描电镜显示,该腐蚀层疏松而脆,和基体结合不牢固图 5 。能谱分析图 7 及X射线分析结果图 8 表明,该腐蚀层 主要由Fe2O3、FeS、FeSO4H2O、6CaO4SiO23H2O、FeCl3和 Na2S2O35H2O等组成。结合腐蚀孔的形貌图 6 及临近区域的 金相观察图 3 表明,腐蚀穿孔是基体金属铁被S、Cl、O等腐蚀性 介质直接氧化或硫化及在高温熔融硫酸盐作用下加速氧化或 硫化的结果。含尘燃气的冲蚀作用更加速了穿孔的进程。 1直接氧化作用 可能的反应式有2Fe 3Cl2→2FeCl3, 4Fe 3O2→ 2Fe2O3,Fe S→FeS及Fe SO3 H2O→FeSO4 H2等。其 中,S、Cl、SO3等来源于燃煤及其燃烧反应具体反应见下。 2熔融盐的加速氧化作用[2] 燃煤中的赤铁矿FeS2及黄铁矿FeS等物质在燃烧过程 中形成了SO2、SO3等,其反应式如下 4FeS2 11O2→8SO2 2Fe2O3 4FeS 7O2→4SO2 2Fe2O3 2SO2 O2→2SO3 形成的SO3与燃煤中的Na2O等无机化合物发生如下反应 SO3 Na2O→Na2SO4 Na2SO4 SO3→Na2S2O3 2O2 形成Na2S2O3或反应形成MS2O3等熔融盐熔点约400℃ 加速了基体金属铁的腐蚀,其反应式如下以MNa为例 3Na2S2O3 Fe2O3→2Na3FeSO43 2Na3FeSO43 11Fe→3Na2SO4 4Fe2O3 3FeS 含尘烟气的高速冲刷使表层腐蚀产物剥落而减薄。腐蚀 及烟气对腐蚀产物的冲蚀剥落不断交替进行,最终在管子的 向火面发生局部穿孔。 5 结论 1由于钢管内壁形成一层较厚的Ca、Mg、Al离子沉积 物,钢管导热能力下降,使向火面温度升高高于470～ 480℃,低于Ac1温度 , 从而发生高温蠕变。同时,钢中珠光 体的碳化物球化导致钢的蠕变强度及持久强度降低,最终使 钢管发生蠕变断裂。 2由于燃煤中含S或S的化合物较多,在燃烧过程中 产生高温熔融盐,加速基体铁的氧化腐蚀。腐蚀沉积物在含 尘烟气的高速冲刷作用下剥落。这两个过程交互作用,最终 使钢管发生减薄而穿孔。 参考文献 [1] 束德林.金属力学性能[M].北京机械工业出版社,1987. [2] 章燕谋.锅炉与压力容器用钢[M].西安西安交通大学出版社, 1984. 45钢渣浆泵主轴早期疲劳断裂分析 孙 智1,钱永康2 1 1 中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州 221008 ; 21 山西平遥减速器厂 山西平遥 031100 摘要一台渣浆泵45钢主轴安装运行不足24h即发生断裂。本文分析了主轴断裂的过程和原因。结果表明,轴的断裂为多源 旋转弯曲疲劳断裂,疲劳裂纹从轴表面加工形成的类裂纹处扩展,而热处理组织粗大和存在魏氏组织加速了开裂。 关键词疲劳断裂;表面缺陷;组织 中图分类号TG157; 文献标识码A 文章编号02542605120000520032202 Failure Analysis for the Early Fatigue Fracture of Major Axle of Slurry Pump SUN Zhi1,QIAN Yong2kang2 1 1College of Mechtronic Engineering ,China University of Mining 21Shanxi Pingyao Reducer Machinery Factory ,031100 ,China Abstract The major axle made of 45 steel fractured after running fewer than 24h. The process and reason of fracture were analysis in the paper. The results show that the fracture of axle results from the rotary bend fatigue fracture. The fatigue cracks extended from the microfractures ed in working process on the surface of axle. Therefore ,the coarsepearlite and Wit. microsructure speed up the ex2 tension of cracks. Key words fatigue fracture;surface defect ;microstructure 1 前言 某发电厂用的渣浆泵主轴安装后运行不足24h即发生断 作者简介孙 智1963男,山东诸城人,博士,副教授。主要从事金属组织与性能、 表面改性、 失效分析方面的教学与科研,已发表论文近40 篇。电话051623885979。E2mail XZZSun pub. xz.jsinfo. net 收稿日期1999211222 23金属热处理2000年第5期