鍋爐旋風分離器中心筒失效分析

郭壽鵬¹  高洪吉¹  李曉桐¹  鄭德榮²

（1． 山東省冶金科學研究院, 濟南250014 ; 2．山東省勞動職業技術學院, 濟南250022）

　　摘要：鍋爐旋風分離器中心筒上部吊掛腰筋和腰筋附近的筒體裂開，筒體上大面積出現蜂窩狀剝落坑，筒體變徑處出現大量貫穿性孔洞。采用化學成分分析、宏觀和金相檢驗等方法對中心筒進行了分析。結果表明，中心筒焊補區存在未熔合缺陷，裂紋在未熔合缺陷處萌生和長大形成宏觀裂紋，導致材料失效；中心筒存在許多鑄造皮下氣孔，此為形成剝落坑的主要原因；剝落坑附近析出許多塊狀和棒狀碳化物，在晶界處有鏈狀碳化物，是產生宏觀剝落坑的誘因之一。

　　關鍵詞：中心筒 裂紋 化學成分 金相組織 失效分析

 

　　1 情況簡介

　　某熱電公司購買一臺整體鑄造旋風分離器中心筒，使用一個半月后發現中心筒出現質量問題，中心筒上部吊掛腰筋和腰筋附近的筒體裂開，筒體上大面積出現蜂窩狀剝落坑，筒體變徑處出現大量貫穿性孔洞。發現問題后使用方及時與供貨單位聯系，供貨單位派人維修，維修工藝是進行堆焊和焊補。維修后繼續運行使用，一個月后鍋爐因故障停爐檢修，發現中心筒上部焊補區再次開裂，筒體的部分焊補部位脫落。使用方組織檢修人員自行檢修，檢修完畢后投入運行。三個月后停爐檢修時發現中心筒再次出現質量問題，上部裂紋增多，前期出現的質量問題加劇，使用方經綜合分析認為，此中心筒存在嚴重質量問題。

針對以上情況，采用化學成分分析、宏觀和金相檢驗等方法對中心筒進行了分析。
 

　　2. 理化檢驗

　　2.1 宏觀檢驗

　　中心筒的吊掛端、加強筋及筒體均有多處開裂和焊補過的痕跡。中心筒吊掛端有兩塊約300×200（mm）和300×100（mm）的焊補區，在筒外側焊縫處有明顯的開裂（見圖1a），中心筒加強筋處有明顯的裂紋（見圖1b），中心筒筒體有已焊補過的多處孔洞，據使用方介紹，部分孔洞焊補前已穿透，筒體上有明顯的焊部過的剝落坑（見圖1c）。

       

a. 中心筒吊掛端焊補區裂紋形貌     b. 中心筒加強筋處的裂紋形貌     c.中心筒筒體焊補過的剝落坑形貌

圖1 中心筒宏觀缺陷形貌

　　2.2化學成分

    　化學成分分析結果表明，兩個試樣中的Mn（%）和一個試樣中的S（%）元素含量未達到技術協議要求。（見表1）

表1  中心筒化學成分（%）

 

檢驗元素	技術協議要求	檢驗結果		備  注
		無缺陷位置試樣	有缺陷位置試樣
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 金相檢驗

　　分別在的焊補區、剝落坑處及表面無明顯缺陷處取金相試樣進行檢驗分析。

　　首先在焊補區取樣做金相檢驗分析，試樣表面有清晰可見的裂紋。在顯微鏡下觀察發現，裂紋兩側組織有明顯的差別，存在未熔合缺陷，裂紋沿熔合線擴展（見圖2，3，4，5）。

     

圖2. 未熔合區附近的裂紋形貌（100×）          圖3. 未熔合區的微觀形貌（100×）

      

圖4. 裂紋沿熔合線擴展的典型形態（100×）     圖5. 裂紋尖端處熔合區的組織特征（100×）

　　金相檢驗發現，剝落坑處有棒狀和塊狀碳化物，沿晶界有鏈狀分布的碳化物（見圖6）。在剝落坑附近有清晰的沿晶裂紋（見圖7）。

     

圖6. 剝落坑處的鏈狀及棒狀碳化物（200×）       圖7. 剝落坑附近的晶間裂紋（200×）

　　在表面無明顯缺陷的部位，截取金相試樣進行檢驗，可見多個宏觀尺度的皮下氣孔。顯微鏡下觀察發現，氣孔附近有許多沿晶裂紋（圖8），兩個孔洞之間的裂紋相距很近（圖9）。表面無明顯缺陷的部位有較大的球形非金屬夾雜物（見圖10），依據GB/T10561－2005^[4]中的5.2.1條和附錄A中的DS（單顆粒球狀類）評級圖，該樣品的非金屬夾雜物可評定為3級。金相組織為奧氏體+鐵素體+碳化物，碳化物呈球狀、塊狀和鏈狀沿晶分布（見圖11）。

     

圖8. 皮下氣孔附近的沿晶裂紋（100×）          圖9. 皮下氣孔間的沿晶裂紋形態（100×）

     

圖10. 球狀非金屬夾雜物形態（100×）            圖11. 筒體材料的金相組織（100×）

　　

　　3. 分析討論

　　3.1化學成分分析

　　由表1可以看出，化學成分中部分元素含量符合技術協議要求，但Mn（%）、S（%）元素含量未達到技術協議要求。

　　3.2 金相檢驗結果分析

　　通過金相檢驗可知，該中心筒的裂紋主要在焊接區形成，焊接區存在未熔合缺陷，未熔合缺陷為裂紋源，裂紋在此形成并沿熔合線擴展。現場勘驗發現，多數裂紋均發生在焊接部位，包括加強筋在內的焊接部位均有不同程度的開裂。這是因為焊接區是兩種金屬的過渡部分，為組織薄弱區。裂紋在這些組織薄弱區或未熔合缺陷處容易萌生和長大，最后形成宏觀裂紋導致材料失效。

　　剝落坑的形成與鑄造皮下氣孔等缺陷有直接關系^[1]。由金相檢驗分析可知，在氣孔缺陷附近有許多沿晶微裂紋，這些微裂紋顯著降低了中心筒的高溫蠕變強度，高溫下蠕變斷裂是沿晶斷裂，氣孔缺陷附近的微裂紋是引發蠕變斷裂的裂紋源，這些微裂紋的擴展使鑄造氣孔連接起來，形成大量的剝落坑（表面剝落或貫穿孔洞）。

　　剝落坑的形成還與碳化物的數量和形態有關^[2]。由金相檢驗分析可知，剝落坑附近的組織中存在許多塊狀和棒狀碳化物，晶界處存在鏈狀碳化物。材料在高溫下長期使用時，數量較多的大尺寸碳化物會引起晶界脆化，這是因為晶界遷移時晶界上的第二相質點構成了晶界移動的障礙，晶界移動受阻將引發晶間裂紋^[3]，這也是產生宏觀剝落的誘因之一。

　　4. 結論

　　1. 化學分析表明，錳、硫含量未達到技術協議要求。

　　2. 中心筒焊補區存在未熔合缺陷，未熔合缺陷是裂紋源。裂紋在未熔合缺陷處萌生和長大形成宏觀裂紋，導致材料失效。此為產生裂紋的主要原因。

　　3. 中心筒存在許多鑄造皮下氣孔，金相分析表明，皮下氣孔附近存在大量微裂紋，在高溫使用過程中裂紋不斷擴展，一部分微裂紋貫穿表面，造成局部剝落；另一部分微裂紋與其它孔洞附近的微裂紋連接形成貫穿孔洞。此為形成剝落坑（表面剝落或貫穿孔洞）的主要原因。

　　4. 金相分析表明，剝落坑附近析出許多塊狀和棒狀碳化物，在晶界處有鏈狀碳化物。材料在高溫下長期使用時，數量較多的大尺寸碳化物會引起晶界脆化，這也是產生宏觀剝落坑的誘因之一。

 

參考文獻

[1]陳德和.鋼的缺陷[M].北京:機械工業出版社，1977.

[2]吳培遠,揚武鳴,周振生等. 輔機零件失效及缺陷分析[M]. 北京:科學出版社, 1988.

[3]機械工業理化檢驗人員培訓和資格檢驗委員會. 金相檢驗[M]. 上海:上海科學普及出版社, 2003.

[4]GB/T10561－2005.鋼中非金屬夾雜物含量的測定.