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蒸气过热炉集气管不锈钢管帽失效的原因

作者:管件 来源: 日期:2018-9-7 21:41:18 人气:4

从试验观测和分析,可以很清楚的搞清蒸气过热炉集气管不锈钢管帽失效的原因。综合各种因素,大致不外乎以下几个方面:

材料的材质:集气管不锈钢管帽材质UNSN08811的检验分析就结果而言,材料材质符合美国ASTM标准关于UNSN08811的规定,各成分的种类和含量都在标准要求的范围之内。虽然在检测中出现了标准中未规定的P元素,但P得危害性主要出现在引发低温脆性,在集气管不锈钢管帽高温工作条件下可以认为没有影响。所以,可以认为材料材质是合格的,不是引发失效的原因。

宏观形貌从集气管不锈钢管帽在装置系统整体中所在的位置、形状、管内流动的的介质状况、实际工况条件(如温度,压力)、与集气管的连接方式、失效裂纹的分布和走向、事故发生现场的过程及处理等方面的分析,可以得出,过热蒸汽介质在集气管不锈钢管帽折边处突然转向形成湍流,造成冲刷管壁是导致不锈钢管帽内表面晶粒脱落,管壁减薄的一个必要条件。高温高压加速了冲刷腐蚀的进一步发生。从冲刷裂纹走向和焊缝所在位置分析,焊接过程所形成的焊接残余应力不是导致引起冲刷腐蚀的原因,甚至其影响对集气管不锈钢管帽失效可以不予考虑。

夹杂物的观测:在集气管不锈钢管帽失效穿孔部位取样观测夹杂物,从试样不同部位取点观测的结果,发现夹杂物在试样中以弥散状态分布,在晶粒内部和晶界处均有分布。不过,夹杂物由于形状粗大,在基体中对基材所起的作用起强化作用。所以说,夹杂物也不是导致集气管不锈钢管帽失效的原因。

金相组织观测:通过对试样沿不锈钢管帽失效部位板厚方向和沿轧制方向,试样不同部位的金相对比观测:主要观测了组织晶粒度的分布,夹杂物在金相组织结构的分布,断口的微观形貌、裂纹的走向、和裂纹源,焊缝区域的组织,基体材料中广泛分布的细晶粒条带。通过观测,不锈钢管帽组织主要以奥氏体组织形式,其晶粒度基材和焊缝区晶粒粗大,由于在高温条件下,基体中含有硫,引起脆化产生裂纹源。并在基体中广泛存在沿轧制方向的细晶粒条带,细晶粒条带的存在由于原始轧制中形成,固溶热处理的不充分导致重结晶晶粒过细,成分扩散析出不充分。粗细分布不同的晶粒和固溶处理导致的晶界出现贫和晶界机械性能的下降。由此裂纹产生后,沿着晶界扩。在晶界,过热蒸汽或其中所含的氧与铁发生反应生成FeO,FeO的疏松导致了局部材质裂纹源的产生和裂纹的扩展。Fe3〇4的生成致使体积扩大,生成氢在基体中的扩散进一步提高了晶界的脆性,降低了其机械性能,加速了裂纹的扩展。最终,在高压过热蒸汽的冲刷下引起晶粒逐个脱落。晶粒的脱落造成裂纹向板厚的内扩张,而形成冲刷裂纹。晶粒的逐个脱落,引起冲刷裂纹向基体内扩张,致使失效穿孔的发生。

硬度的检测:分别检测不锈钢管帽失效部位板厚,沿扎制方向,和沿折边外表面焊缝的硬度。从检测的结果可以看出,集气管不锈钢管帽沿板厚方向和沿轧制方向上硬度值偏低,尤其在沿板厚方向上的硬度值最低,这与金相观测的结果基本是一致的。由于在基材中分布着细晶粒条带,粗细分布的晶粒弱化了基体组织的机械强度。粗晶粒的基材硬度值大,析出的细晶粒小。由于细晶粒在基体中呈间隔分布,所以实际测出的硬度值呈离散分布状态。

能谱检测:先对从过热蒸汽炉集气管不锈钢管帽失效部位内壁收集到的黑色物质,不锈钢管帽减薄部位的奥氏体晶粒的晶内、晶界进行能谱扫描分析。从检测结果,可以知道,黑色物质是Fe3〇4。这说明了基体材料与过热蒸汽发生了氧化反应,同时也说明了基体材料中的抗氧化性很强的、镍元素失去了对铁的保护。元素在固溶处理过程中向晶界析出,以化合物形式存在,造成晶界贫,同时降低了基体机械性能。这就最终导致沿晶断裂,晶粒脱落。

又由于从集气管出口处流出的的高温高压过热蒸汽,体积受到急剧压缩,流速过快,就呈现涡流状态。在集气管不锈钢管帽处遇到折边受阻,蒸汽直接冲刷在折边处转向,环绕折边流出。由于连续不断地冲刷,引起基体组织产生疲劳,在强度低区晶粒脱落。晶粒脱落的累积,这就引起裂纹向内扩张,引起穿孔失效。并且,介质中含有成分较高的O,是氧化腐蚀的一个重要的因素。

综上所述,高温高压的过热蒸汽在不锈钢管帽折边处形成高速涡流,冲刷折边是导致不锈钢管帽失效穿孔最主要的外因。不锈钢管帽基体组织中存在条带状的细晶粒带,晶粒粗细不均匀是组织机械性能下降的原因。细晶粒的形成是由于轧制过程中形成微小裂纹,热处理时加热温度不够或保温时间不够,晶粒长大不充分,金属元素扩散导致晶界贫。这是导致晶间腐蚀,晶粒脱离的内因。