锅炉旋风分离器中心筒失效分析

郭寿鹏¹  高洪吉¹  李晓桐¹  郑德荣²

（1． 山东省冶金科学研究院, 济南250014 ; 2．山东省劳动职业技术学院, 济南250022）

　　摘要：锅炉旋风分离器中心筒上部吊挂腰筋和腰筋附近的筒体裂开，筒体上大面积出现蜂窝状剥落坑，筒体变径处出现大量贯穿性孔洞。采用化学成分分析、宏观和金相检验等方法对中心筒进行了分析。结果表明，中心筒焊补区存在未熔合缺陷，裂纹在未熔合缺陷处萌生和长大形成宏观裂纹，导致材料失效；中心筒存在许多铸造皮下气孔，此为形成剥落坑的主要原因；剥落坑附近析出许多块状和棒状碳化物，在晶界处有链状碳化物，是产生宏观剥落坑的诱因之一。

　　关键词：中心筒 裂纹 化学成分 金相组织 失效分析

 

　　1 情况简介

　　某热电公司购买一台整体铸造旋风分离器中心筒，使用一个半月后发现中心筒出现质量问题，中心筒上部吊挂腰筋和腰筋附近的筒体裂开，筒体上大面积出现蜂窝状剥落坑，筒体变径处出现大量贯穿性孔洞。发现问题后使用方及时与供货单位联系，供货单位派人维修，维修工艺是进行堆焊和焊补。维修后继续运行使用，一个月后锅炉因故障停炉检修，发现中心筒上部焊补区再次开裂，筒体的部分焊补部位脱落。使用方组织检修人员自行检修，检修完毕后投入运行。三个月后停炉检修时发现中心筒再次出现质量问题，上部裂纹增多，前期出现的质量问题加剧，使用方经综合分析认为，此中心筒存在严重质量问题。

针对以上情况，采用化学成分分析、宏观和金相检验等方法对中心筒进行了分析。
 

　　2. 理化检验

　　2.1 宏观检验

　　中心筒的吊挂端、加强筋及筒体均有多处开裂和焊补过的痕迹。中心筒吊挂端有两块约300×200（mm）和300×100（mm）的焊补区，在筒外侧焊缝处有明显的开裂（见图1a），中心筒加强筋处有明显的裂纹（见图1b），中心筒筒体有已焊补过的多处孔洞，据使用方介绍，部分孔洞焊补前已穿透，筒体上有明显的焊部过的剥落坑（见图1c）。

       

a. 中心筒吊挂端焊补区裂纹形貌     b. 中心筒加强筋处的裂纹形貌     c.中心筒筒体焊补过的剥落坑形貌

图1 中心筒宏观缺陷形貌

　　2.2化学成分

    　化学成分分析结果表明，两个试样中的Mn（%）和一个试样中的S（%）元素含量未达到技术协议要求。（见表1）

表1  中心筒化学成分（%）

 

检验元素	技术协议要求	检验结果		备  注
		无缺陷位置试样	有缺陷位置试样
C	0.20～0.60	0.44	0.40
Si	0.50～1.20	0.91	0.92
Mn	2.00～3.50	1.45	1.59
P	≤0.06	0.043	0.040
S	≤0.03	0.036	0.029
Cr	24.00～28.00	25.38	25.33
Ni	3.50～6.50	4.98	4.96

 

　　
　　2.3 金相检验

　　分别在的焊补区、剥落坑处及表面无明显缺陷处取金相试样进行检验分析。

　　首先在焊补区取样做金相检验分析，试样表面有清晰可见的裂纹。在显微镜下观察发现，裂纹两侧组织有明显的差别，存在未熔合缺陷，裂纹沿熔合线扩展（见图2，3，4，5）。

     

图2. 未熔合区附近的裂纹形貌（100×）          图3. 未熔合区的微观形貌（100×）

      

图4. 裂纹沿熔合线扩展的典型形态（100×）     图5. 裂纹尖端处熔合区的组织特征（100×）

　　金相检验发现，剥落坑处有棒状和块状碳化物，沿晶界有链状分布的碳化物（见图6）。在剥落坑附近有清晰的沿晶裂纹（见图7）。

     

图6. 剥落坑处的链状及棒状碳化物（200×）       图7. 剥落坑附近的晶间裂纹（200×）

　　在表面无明显缺陷的部位，截取金相试样进行检验，可见多个宏观尺度的皮下气孔。显微镜下观察发现，气孔附近有许多沿晶裂纹（图8），两个孔洞之间的裂纹相距很近（图9）。表面无明显缺陷的部位有较大的球形非金属夹杂物（见图10），依据GB/T10561－2005^[4]中的5.2.1条和附录A中的DS（单颗粒球状类）评级图，该样品的非金属夹杂物可评定为3级。金相组织为奥氏体+铁素体+碳化物，碳化物呈球状、块状和链状沿晶分布（见图11）。

     

图8. 皮下气孔附近的沿晶裂纹（100×）          图9. 皮下气孔间的沿晶裂纹形态（100×）

     

图10. 球状非金属夹杂物形态（100×）            图11. 筒体材料的金相组织（100×）

　　

　　3. 分析讨论

　　3.1化学成分分析

　　由表1可以看出，化学成分中部分元素含量符合技术协议要求，但Mn（%）、S（%）元素含量未达到技术协议要求。

　　3.2 金相检验结果分析

　　通过金相检验可知，该中心筒的裂纹主要在焊接区形成，焊接区存在未熔合缺陷，未熔合缺陷为裂纹源，裂纹在此形成并沿熔合线扩展。现场勘验发现，多数裂纹均发生在焊接部位，包括加强筋在内的焊接部位均有不同程度的开裂。这是因为焊接区是两种金属的过渡部分，为组织薄弱区。裂纹在这些组织薄弱区或未熔合缺陷处容易萌生和长大，最后形成宏观裂纹导致材料失效。

　　剥落坑的形成与铸造皮下气孔等缺陷有直接关系^[1]。由金相检验分析可知，在气孔缺陷附近有许多沿晶微裂纹，这些微裂纹显著降低了中心筒的高温蠕变强度，高温下蠕变断裂是沿晶断裂，气孔缺陷附近的微裂纹是引发蠕变断裂的裂纹源，这些微裂纹的扩展使铸造气孔连接起来，形成大量的剥落坑（表面剥落或贯穿孔洞）。

　　剥落坑的形成还与碳化物的数量和形态有关^[2]。由金相检验分析可知，剥落坑附近的组织中存在许多块状和棒状碳化物，晶界处存在链状碳化物。材料在高温下长期使用时，数量较多的大尺寸碳化物会引起晶界脆化，这是因为晶界迁移时晶界上的第二相质点构成了晶界移动的障碍，晶界移动受阻将引发晶间裂纹^[3]，这也是产生宏观剥落的诱因之一。

　　4. 结论

　　1. 化学分析表明，锰、硫含量未达到技术协议要求。

　　2. 中心筒焊补区存在未熔合缺陷，未熔合缺陷是裂纹源。裂纹在未熔合缺陷处萌生和长大形成宏观裂纹，导致材料失效。此为产生裂纹的主要原因。

　　3. 中心筒存在许多铸造皮下气孔，金相分析表明，皮下气孔附近存在大量微裂纹，在高温使用过程中裂纹不断扩展，一部分微裂纹贯穿表面，造成局部剥落；另一部分微裂纹与其它孔洞附近的微裂纹连接形成贯穿孔洞。此为形成剥落坑（表面剥落或贯穿孔洞）的主要原因。

　　4. 金相分析表明，剥落坑附近析出许多块状和棒状碳化物，在晶界处有链状碳化物。材料在高温下长期使用时，数量较多的大尺寸碳化物会引起晶界脆化，这也是产生宏观剥落坑的诱因之一。

 

参考文献

[1]陈德和.钢的缺陷[M].北京:机械工业出版社，1977.

[2]吴培远,扬武鸣,周振生等. 辅机零件失效及缺陷分析[M]. 北京:科学出版社, 1988.

[3]机械工业理化检验人员培训和资格检验委员会. 金相检验[M]. 上海:上海科学普及出版社, 2003.

[4]GB/T10561－2005.钢中非金属夹杂物含量的测定.