摘要：某公司使用的無補燃余熱鍋爐在停機檢查時，發(fā)現(xiàn)高壓蒸發(fā)器某排某段翅片管發(fā)生開裂。對開裂管段進行了宏觀觀察和掃描電鏡觀察，分析了材料的金相組織和化學成分。結(jié)果表明：管內(nèi)壁一側(cè)存在較多蝕坑和多條裂紋，裂紋上均有較大面積的蝕坑;蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物為氧化物和氯化物，金相顯示裂紋起源于蝕坑，擴展過程中無分叉，裂紋為穿晶形貌。確定翅片管發(fā)生的開裂為腐蝕疲勞。

　　關鍵詞：高壓蒸發(fā)器;翅片管;20G;腐蝕疲勞

　　相比于燃煤蒸汽發(fā)電廠，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(GTCC)因高效率、低污染、運行靈活、生產(chǎn)周期短和投資低等優(yōu)點在世界電力工業(yè)中得到了廣泛應用[1]。無補燃余熱鍋爐是指燃氣輪機的排氣進入余熱鍋爐后，無需再補充其他燃料，因此稱為無補燃[2]。

　　作為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站的主要設備之一，余熱鍋爐的結(jié)構、性能極大影響到系統(tǒng)中其他設備，乃至整個系統(tǒng)的性能[3]。翅片管是組成各種熱交換器的核心元件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到熱交換器的工作性能。翅片管的制造材料有鋼、銅合金、鋁合金等多種，本文所分析的開裂翅片管使用的材料為20G。20G是一種低碳鋼，G代表鍋爐中“鍋”的首字母，相比于傳統(tǒng)20鋼，20G還有一些微量元素，更適宜在鍋爐及壓力容器的生產(chǎn)中使用[4]。

　　在本次失效分析中，某電力公司的無補燃自然循環(huán)余熱鍋爐于2014年投入使用，在2018年停機檢查時，發(fā)現(xiàn)靠近高壓蒸發(fā)器入口聯(lián)箱處一處翅片管下部發(fā)生開裂，因小于設計壽命，屬于早期失效。翅片管使用的材料為20G，管內(nèi)介質(zhì)為蒸汽和鍋爐水，工作溫度約200℃。本研究通過宏觀分析、斷口分析、金相分析和化學成分檢驗等技術手段，揭示了高壓蒸發(fā)器翅片管開裂的原因，這有助于減少和避免同類產(chǎn)品的失效重復發(fā)生。

　　1檢驗結(jié)果

　　1.1失效件宏觀觀察

　　裂紋在管內(nèi)壁側(cè)開口較寬，裂紋內(nèi)存在一些腐蝕產(chǎn)物。在管內(nèi)壁，裂紋上及裂紋周邊存在一些蝕坑。將裂紋1打開，觀察裂紋打開后形成的斷口(以下稱斷口1)，斷口1形貌較平坦，顏色較深，在斷口1的管內(nèi)壁側(cè)可見若干半圓形的蝕坑。為明確此次開裂的斷裂性質(zhì)，將未發(fā)生開裂的管段縱剖后對內(nèi)壁進行觀察。同時還發(fā)現(xiàn)較多條沿管壁周向開裂的細小裂紋，如黑色箭頭所指，這些裂紋尚未穿透管壁，裂紋上均有較深的蝕坑。

　　1.2失效件微觀觀察

　　將斷口1放入掃描電鏡進行放大觀察，但該處斷口遭到破壞，原始形貌已無法辨認。這是由于管內(nèi)介質(zhì)為高溫鍋爐水及蒸汽，當管壁開裂時，管內(nèi)介質(zhì)自開裂處外泄，對斷口形貌造成嚴重破壞。對斷口邊緣的凹坑進行放大觀察，凹坑內(nèi)呈現(xiàn)開裂的泥狀形貌。

　　這種泥狀形貌是由于較多的腐蝕產(chǎn)物堆積，在較高溫度下龜裂導致的。截取一段帶內(nèi)壁裂紋的3號管，放在掃描電鏡下進行觀察，裂紋(以下稱裂紋2)的SEM形貌。可看出，裂紋2也沿周向擴展，無明顯分叉;在裂紋2中部有兩個較大的蝕坑，由此可判斷裂紋的產(chǎn)生與管內(nèi)壁的蝕坑存在一定聯(lián)系。蝕坑內(nèi)殘留的腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果。可看出，蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物和氯化物。

　　1.3失效件金相觀察

　　在3號管上再截取一段有裂紋的管壁，垂直于裂紋方向剖開，將裂紋截面制成金相樣品放在金相顯微鏡下進行觀察，樣品形貌。可見，裂紋長直，自管壁內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴展，擴展過程中未見明顯分叉，裂紋起源于管壁內(nèi)側(cè)的蝕坑處，裂紋周圍未見其他明顯缺陷。使用硝酸酒精溶液對樣品進行腐蝕后放大觀察，其金相組織為鐵素體+珠光體，對裂紋尖端部放大觀察。可以看出，裂紋不沿晶界擴展，而直接從晶粒中穿過，由此可判斷斷裂形式為穿晶斷裂。另外，在截面內(nèi)壁側(cè)也發(fā)現(xiàn)若干微裂紋，這些微裂紋也起源于內(nèi)壁側(cè)的蝕坑處。

　　1.4失效件化學成分測試

　　切取部分管段，將管壁壓平后制成30mm×30 mm的片狀樣品，拋光后使用直讀光譜儀對材料的化學成分進行測試，并與GB713-2008中20G的標準值對測試結(jié)果進行比對。

　　2分析與討論

　　對開裂翅片管進行宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)壁側(cè)裂紋1上有面積較大的蝕坑，將裂紋1打開后，在斷口1截面內(nèi)壁側(cè)也發(fā)現(xiàn)若干半圓形的蝕坑存在。將未發(fā)現(xiàn)開裂的管段縱剖，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壁存在較多小蝕坑，且有若干條沿軸向擴展的小裂紋，裂紋上也有蝕坑分布，這些裂紋形態(tài)與裂紋1基本一致。

　　根據(jù)宏觀觀察可確定裂紋系自管內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴展，裂紋的產(chǎn)生應該與管內(nèi)環(huán)境及介質(zhì)有關。通常來說金屬在具有一定腐蝕性的介質(zhì)環(huán)境下發(fā)生開裂主要有兩種原因，即應力腐蝕和腐蝕疲勞[6]。應力腐蝕是由于構件中有較大的殘余應力，在某種特定的介質(zhì)環(huán)境下，發(fā)生的瞬時斷裂。其特征為：裂紋往往起源于應力集中處，裂紋尖端尖銳，在擴展過程中有較多樹枝狀分叉，通常情況下為沿晶斷裂(大應力條件下也可能為穿晶斷裂)。

　　對于不同的金屬材料，導致其發(fā)生應力腐蝕的介質(zhì)也不同，對于普通的碳鋼來說，在含有SO42-、S2-、NaOH等介質(zhì)的環(huán)境中較易產(chǎn)生應力腐蝕[5-8]。腐蝕疲勞是由于構件處于交變載荷的作用下，交變載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用引起的開裂。其特征為：裂紋平直且無分叉或很少分叉，通常情況下為穿晶斷裂，斷口偶爾可見疲勞弧線(但由于腐蝕產(chǎn)物原因往往難以分辨)，在任何介質(zhì)條件下都可發(fā)生[9-11]。

　　對樣品進行微觀觀察發(fā)現(xiàn)：斷口1的蝕坑內(nèi)存在泥狀形貌，泥狀形貌是腐蝕產(chǎn)物在較高溫度下發(fā)生龜裂導致的。在縱剖的管段上切取一條裂紋2，觀察發(fā)現(xiàn)裂紋2上也有較大的蝕坑，且蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物經(jīng)EDS分析為氧化物和氯化物。上述觀察結(jié)果符合腐蝕疲勞的特征。將裂紋截面制成金相樣品進行觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋長直無明顯分叉，這一點也與應力腐蝕的特征不符， 且裂紋呈明顯的穿晶斷裂形貌。

　　金相觀察還發(fā)現(xiàn)裂紋起源于內(nèi)壁側(cè)的蝕坑底部，這是由于管內(nèi)壁長期處于較高溫度的鍋爐水環(huán)境下，且介質(zhì)中含有氯離子，導致局部發(fā)生點蝕，產(chǎn)生蝕坑，蝕坑底部為應力集中處。散熱器在工作中由于內(nèi)部液、氣流動等原因會出現(xiàn)輕微振動，這種振動相當于作用在構件上的循環(huán)載荷，由于蝕坑底部存在應力集中，更易萌生疲勞裂紋。綜上，在循環(huán)載荷和腐蝕介質(zhì)(鍋爐水環(huán)境)共同導致的腐蝕疲勞作用下，在翅片管內(nèi)壁的蝕坑處萌生疲勞裂紋，且逐漸擴展，這最終導致了散熱器管壁發(fā)生開裂。

　　3結(jié)論與預防建議

　　(1)送檢翅片管的開裂性質(zhì)屬于腐蝕疲勞。管內(nèi)壁在高溫鍋爐水的介質(zhì)環(huán)境下發(fā)生點蝕產(chǎn)生蝕坑，在循環(huán)振動載荷的作用下，蝕坑處萌生疲勞裂紋，最終導致管壁開裂而泄漏。(2)腐蝕疲勞是腐蝕介質(zhì)和循環(huán)載荷共同作用的結(jié)果。因此，應首先對管內(nèi)的鍋爐水介質(zhì)進行嚴格監(jiān)測，避免水中的S、Cl等促進腐蝕作用的元素含量過高;同時應適當減輕管道在工作中的振動。

　　參考文獻:

　　[1]李強.燃機電廠生產(chǎn)過程一體化研究[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量，2011，31(4)：141-142.

　　[2]徐玉杰，林汝謀，蔡睿賢.無補燃余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)性能的簡捷估算方法[J].動力工程學報，2005，25(3)：437-442.

　　[3]馮志兵，崔平.聯(lián)合循環(huán)中的余熱鍋爐[J].燃氣輪機技術，2003，16(3)：26-33.

　　[4]RaoSX，LyuYR，AiZB，etal.Naphthenicacidcorrosionbehaviorof20Gsteelathightemperature[J].JournalofMaterialsEngineering，2013(1)：79-84.

　　[5]趙志農(nóng).腐蝕失效分析案例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

　　[6]喬利杰，王燕斌，褚武揚.應力腐蝕機理[M].北京：科學出版社，1993.

　　[7]ParkinsRN.Thetheoryofstresscorrosioncrackinginalloys[M].NorthAtlanticTreatyOrganization，ScientificAffairsDivision，1971.

　　作者：李天夫,屈伸,田繼豐,張哲峰