高压蒸发器翅片管的开裂失效分析

　　摘要：某公司使用的无补燃余热锅炉在停机检查时，发现高压蒸发器某排某段翅片管发生开裂。对开裂管段进行了宏观观察和扫描电镜观察，分析了材料的金相组织和化学成分。结果表明：管内壁一侧存在较多蚀坑和多条裂纹，裂纹上均有较大面积的蚀坑;蚀坑内的腐蚀产物为氧化物和氯化物，金相显示裂纹起源于蚀坑，扩展过程中无分叉，裂纹为穿晶形貌。确定翅片管发生的开裂为腐蚀疲劳。

　　关键词：高压蒸发器;翅片管;20G;腐蚀疲劳

　　相比于燃煤蒸汽发电厂，燃气轮机及其联合循环发电技术(GTCC)因高效率、低污染、运行灵活、生产周期短和投资低等优点在世界电力工业中得到了广泛应用[1]。无补燃余热锅炉是指燃气轮机的排气进入余热锅炉后，无需再补充其他燃料，因此称为无补燃[2]。

　　作为燃气-蒸汽联合循环电站的主要设备之一，余热锅炉的结构、性能极大影响到系统中其他设备，乃至整个系统的性能[3]。翅片管是组成各种热交换器的核心元件，其质量的优劣直接影响到热交换器的工作性能。翅片管的制造材料有钢、铜合金、铝合金等多种，本文所分析的开裂翅片管使用的材料为20G。20G是一种低碳钢，G代表锅炉中“锅”的首字母，相比于传统20钢，20G还有一些微量元素，更适宜在锅炉及压力容器的生产中使用[4]。

　　在本次失效分析中，某电力公司的无补燃自然循环余热锅炉于2014年投入使用，在2018年停机检查时，发现靠近高压蒸发器入口联箱处一处翅片管下部发生开裂，因小于设计寿命，属于早期失效。翅片管使用的材料为20G，管内介质为蒸汽和锅炉水，工作温度约200℃。本研究通过宏观分析、断口分析、金相分析和化学成分检验等技术手段，揭示了高压蒸发器翅片管开裂的原因，这有助于减少和避免同类产品的失效重复发生。

　　1检验结果

　　1.1失效件宏观观察

　　裂纹在管内壁侧开口较宽，裂纹内存在一些腐蚀产物。在管内壁，裂纹上及裂纹周边存在一些蚀坑。将裂纹1打开，观察裂纹打开后形成的断口(以下称断口1)，断口1形貌较平坦，颜色较深，在断口1的管内壁侧可见若干半圆形的蚀坑。为明确此次开裂的断裂性质，将未发生开裂的管段纵剖后对内壁进行观察。同时还发现较多条沿管壁周向开裂的细小裂纹，如黑色箭头所指，这些裂纹尚未穿透管壁，裂纹上均有较深的蚀坑。

　　1.2失效件微观观察

　　将断口1放入扫描电镜进行放大观察，但该处断口遭到破坏，原始形貌已无法辨认。这是由于管内介质为高温锅炉水及蒸汽，当管壁开裂时，管内介质自开裂处外泄，对断口形貌造成严重破坏。对断口边缘的凹坑进行放大观察，凹坑内呈现开裂的泥状形貌。

　　这种泥状形貌是由于较多的腐蚀产物堆积，在较高温度下龟裂导致的。截取一段带内壁裂纹的3号管，放在扫描电镜下进行观察，裂纹(以下称裂纹2)的SEM形貌。可看出，裂纹2也沿周向扩展，无明显分叉;在裂纹2中部有两个较大的蚀坑，由此可判断裂纹的产生与管内壁的蚀坑存在一定联系。蚀坑内残留的腐蚀产物EDS分析结果。可看出，蚀坑内的腐蚀产物主要为氧化物和氯化物。

　　1.3失效件金相观察

　　在3号管上再截取一段有裂纹的管壁，垂直于裂纹方向剖开，将裂纹截面制成金相样品放在金相显微镜下进行观察，样品形貌。可见，裂纹长直，自管壁内侧向外侧扩展，扩展过程中未见明显分叉，裂纹起源于管壁内侧的蚀坑处，裂纹周围未见其他明显缺陷。使用硝酸酒精溶液对样品进行腐蚀后放大观察，其金相组织为铁素体+珠光体，对裂纹尖端部放大观察。可以看出，裂纹不沿晶界扩展，而直接从晶粒中穿过，由此可判断断裂形式为穿晶断裂。另外，在截面内壁侧也发现若干微裂纹，这些微裂纹也起源于内壁侧的蚀坑处。

　　1.4失效件化学成分测试

　　切取部分管段，将管壁压平后制成30mm×30 mm的片状样品，抛光后使用直读光谱仪对材料的化学成分进行测试，并与GB713-2008中20G的标准值对测试结果进行比对。

　　2分析与讨论

　　对开裂翅片管进行宏观观察发现，管内壁侧裂纹1上有面积较大的蚀坑，将裂纹1打开后，在断口1截面内壁侧也发现若干半圆形的蚀坑存在。将未发现开裂的管段纵剖，发现管内壁存在较多小蚀坑，且有若干条沿轴向扩展的小裂纹，裂纹上也有蚀坑分布，这些裂纹形态与裂纹1基本一致。

　　根据宏观观察可确定裂纹系自管内侧向外侧扩展，裂纹的产生应该与管内环境及介质有关。通常来说金属在具有一定腐蚀性的介质环境下发生开裂主要有两种原因，即应力腐蚀和腐蚀疲劳[6]。应力腐蚀是由于构件中有较大的残余应力，在某种特定的介质环境下，发生的瞬时断裂。其特征为：裂纹往往起源于应力集中处，裂纹尖端尖锐，在扩展过程中有较多树枝状分叉，通常情况下为沿晶断裂(大应力条件下也可能为穿晶断裂)。

　　对于不同的金属材料，导致其发生应力腐蚀的介质也不同，对于普通的碳钢来说，在含有SO42-、S2-、NaOH等介质的环境中较易产生应力腐蚀[5-8]。腐蚀疲劳是由于构件处于交变载荷的作用下，交变载荷与腐蚀介质共同作用引起的开裂。其特征为：裂纹平直且无分叉或很少分叉，通常情况下为穿晶断裂，断口偶尔可见疲劳弧线(但由于腐蚀产物原因往往难以分辨)，在任何介质条件下都可发生[9-11]。

　　对样品进行微观观察发现：断口1的蚀坑内存在泥状形貌，泥状形貌是腐蚀产物在较高温度下发生龟裂导致的。在纵剖的管段上切取一条裂纹2，观察发现裂纹2上也有较大的蚀坑，且蚀坑内的腐蚀产物经EDS分析为氧化物和氯化物。上述观察结果符合腐蚀疲劳的特征。将裂纹截面制成金相样品进行观察，发现裂纹长直无明显分叉，这一点也与应力腐蚀的特征不符， 且裂纹呈明显的穿晶断裂形貌。

　　金相观察还发现裂纹起源于内壁侧的蚀坑底部，这是由于管内壁长期处于较高温度的锅炉水环境下，且介质中含有氯离子，导致局部发生点蚀，产生蚀坑，蚀坑底部为应力集中处。散热器在工作中由于内部液、气流动等原因会出现轻微振动，这种振动相当于作用在构件上的循环载荷，由于蚀坑底部存在应力集中，更易萌生疲劳裂纹。综上，在循环载荷和腐蚀介质(锅炉水环境)共同导致的腐蚀疲劳作用下，在翅片管内壁的蚀坑处萌生疲劳裂纹，且逐渐扩展，这最终导致了散热器管壁发生开裂。

　　3结论与预防建议

　　(1)送检翅片管的开裂性质属于腐蚀疲劳。管内壁在高温锅炉水的介质环境下发生点蚀产生蚀坑，在循环振动载荷的作用下，蚀坑处萌生疲劳裂纹，最终导致管壁开裂而泄漏。(2)腐蚀疲劳是腐蚀介质和循环载荷共同作用的结果。因此，应首先对管内的锅炉水介质进行严格监测，避免水中的S、Cl等促进腐蚀作用的元素含量过高;同时应适当减轻管道在工作中的振动。

　　参考文献:

　　[1]李强.燃机电厂生产过程一体化研究[J].中国石油和化工标准与质量，2011，31(4)：141-142.

　　[2]徐玉杰，林汝谋，蔡睿贤.无补燃余热锅炉型联合循环性能的简捷估算方法[J].动力工程学报，2005，25(3)：437-442.

　　[3]冯志兵，崔平.联合循环中的余热锅炉[J].燃气轮机技术，2003，16(3)：26-33.

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

　　[5]赵志农.腐蚀失效分析案例[M].北京：化学工业出版社，2009.

　　[6]乔利杰，王燕斌，褚武扬.应力腐蚀机理[M].北京：科学出版社，1993.

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

　　作者：李天夫,屈伸,田继丰,张哲峰