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鍋爐旋風分離器中心筒失效分析

2015-11-20 10:13:00

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,筒體上大麵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

  某熱電公司購買一台整體鑄造旋風分離器中心筒,使用一個半月後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,筒體上大麵積出現蜂窩狀剝落坑,筒體變徑處出現大量貫穿性孔洞。發現問題後使用方及時與供貨單位聯係,供貨單位派人維修,維修工藝是進行堆焊和焊補。維修後繼續運行使用,一個月後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,檢修完畢後投入運行。三個月後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、剝落坑處及表麵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,試樣表麵有清晰可見的裂紋。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×)

  在表麵無明顯缺陷的部位,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)。表麵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,裂紋在此形成並沿熔合線擴展。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,最後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係[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(表麵剝落或貫穿孔洞)。

  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麵,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(表麵剝落或貫穿孔洞)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.

 

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