煤氣發生爐立面鋼板斷裂失效分析

修大鵬，張新恩

(山東省科學院新材料研究所，山東 濟南 250014)

?

【新材料】

煤氣發生爐立面鋼板斷裂失效分析

修大鵬，張新恩

(山東省科學院新材料研究所，山東 濟南 250014)

摘要：采用光譜儀、金相顯微鏡以及電子探針顯微分析儀等對煤氣發生爐立面Q235B鋼板斷裂處的化學成分、斷面形貌和夾雜物成分等進行了失效分析。認為鋼板中存在的帶狀金相組織是導致鋼板斷裂的主要原因，少量的硫化物和硅酸鹽混合夾雜也對鋼板性能產生了影響。提出了在鋼材冶煉過程中減少夾雜物的產生、采取正火處理或擴散退火消除帶狀組織缺陷等預防改進的措施。

關鍵詞：磨損腐蝕；應力集中；疲勞斷裂；金相組織

隨著煤炭、石油和天然氣等常規能源的日益減少，提高其使用能效的需求變得越來越重要。煤氣發生爐作為一種高效提升燃煤使用能效的設備，可以將燃煤轉化為煤氣，燃燒時不會產生硫化物、氮化物等污染物，降低了環境污染，提高了使用效率，節約了燃煤用量，在工業生產中的應用也日益廣泛[1]。然而由于煤氣發生爐工作狀況復雜，使用過程中鋼板斷裂等失效事故時有發生，會造成嚴重的經濟損失[2]，因此采用光譜儀、金相顯微鏡和電子探針顯微分析儀等儀器，從宏觀和微觀角度分析煤氣發生爐的鋼板失效原因成為研究人員當下急需解決的課題[3]。

某工廠煤氣發生爐在服役一年后突然發生鋼板立面斷裂事故，鋼板斷裂處位于爐體爐膛中央，材質為Q235B，爐體設計最高溫度為250 ℃，工作壓力可達到0.02 MPa，燃燒狀態下的爐膛溫度，在沒有水冷狀況下，能達到1 200 ℃，極易發生過熱變形[4]。為查明斷裂性質和原因，本文忽略人為因素，主要采用對斷裂立面進行斷口檢查、化學成分分析及顯微組織檢測等手段，對其進行失效分析，找尋失效原因，并提出預防改進的措施[5]。

1理化分析與結果

1.1斷面物理分析

1.1.1宏觀形貌分析

煤氣發生爐立面鋼板從爐膛中央開裂至頂板連接處，在體視顯微鏡下觀察鋼板立面斷面，其宏觀形貌如圖1所示。發現其斷面呈層層木紋狀，根據理論判斷該木紋狀斷口是由于組織中存在夾雜物導致應力集中引起的脆性斷口。圖中可見明顯的磨損腐蝕痕跡，腐蝕區域呈現棕色，有嚴重的腐蝕溝，斷面沿著腐蝕溝裂紋較大，具有典型的疲勞斷裂特征。疲勞斷裂延伸區域較小，約占斷面面積的1/5；而瞬間斷裂區域較大，表明鋼板工作時承受了較大的載荷。

圖1　煤氣發生爐立面鋼板斷口的宏觀形貌Fig.1　Macro morphology of gas generator facade plate fracture

1.1.2微觀形貌分析

用汽油清洗鋼板斷面后，在掃描電鏡下觀察斷面瞬間斷裂區的微觀形貌，如圖2所示。該斷口周邊已被氧化腐蝕，裂紋起源于磨損腐蝕部位的腐蝕溝一端， 斷口瞬斷區的微觀特征表現為準解理斷口，且為脆性斷口。斷面裂紋擴展區的微觀形貌如圖3所示，在電鏡下能觀察到明顯的二次裂紋，且存在著氧化腐蝕現象。用能譜儀對斷裂區的腐蝕產物進行分析，銹蝕層的基本元素除了鐵之外，主要有氧、硫、鋅、鋁和硅等，未發現有氯元素存在。

圖2　煤氣發生爐立面鋼板瞬間斷裂區的微觀形貌Fig.2　Micro morphology of instantaneous fracture zone

圖3　煤氣發生爐立面鋼板裂紋擴展區的微觀形貌Fig.3　Micro morphology of crack spreading area

1.2斷面化學檢測

1.2.1化學成分分析

將煤氣發生爐立面鋼板取樣在砂紙上打磨掉表面層后，在OBLF750直讀光譜儀上對打磨區進行光譜激發測試，分析結果見表1，其化學成分符合GB/T 700-2006碳素結構鋼[6]中Q235B鋼的成分要求。

表1　煤氣發生爐立面鋼板的化學成分

1.2.2夾雜物成分分析

在鋼板立面斷口附近取樣，用砂紙打磨掉表面層并拋光后不浸蝕，制成標準金相試樣，采用電子探針顯微分析儀對其中的夾雜物進行微區成分分析，鋼中夾雜物主要是硫化物和硅酸鹽混合夾雜。硫化物夾雜主要是MnS，其顯微結構呈細長鏈形的針狀夾雜形態，如圖4所示，任取兩點分析硫化物夾雜的化學成分如表2所示。硅酸鹽夾雜成分非常復雜，這類夾雜物主要是由于鋼在凝固過程中二次氧化、卷渣、包襯侵蝕或化學反應等原因形成的，以玻璃相的形態存在于鋼中，如圖5所示，任取兩點分析硅酸鹽夾雜的化學成分如表3所示。

圖4　硫化物夾雜形態Fig.4　Inclusions form of sulfide

圖5　硅酸鹽夾雜形態Fig.5　Inclusions form of silicate

成分MnFeS點159.186.7134.11點260.922.9936.09

表3　鋼板中任取兩點硅酸鹽夾雜物成分(質量分數%)

過量的硫化物和硅酸鹽等非金屬夾雜物作為獨立相存在于鋼板中，會嚴重影響其塑性、韌性及耐腐蝕性能，破壞鋼基體組織的連續性和均勻性，同時導致夾雜處應力集中，在負荷條件下易引起疲勞斷裂。從表1中可以看出各元素的含量均遠遠低于標準含量，從圖4和圖5可以看出夾雜物比較集中，形成夾雜缺陷，對宏觀形貌中的脆性木紋狀斷口產生一定的作用，但是硫化物和硅酸鹽等非金屬夾雜物不是導致鋼板斷裂的主要原因。

1.3金相組織分析

采用4%硝酸酒精清洗斷面，在掃描電鏡下觀察其縱向(圖6)和橫向顯微組織(圖7)，可以發現其縱向和橫向斷口具有明顯的2～3級帶狀組織，顯微組織很細，主要由鐵素體和珠光體晶粒組成，沿軋制方向平行排列，成層狀分布。

帶狀組織極大地破壞了鋼基體組織的連續性和均勻性，形成各向異性，降低了鋼板的塑性、韌性和斷面收縮率等各種機械性能，導致鋼板受熱時容易發生變形等不良后果[7]。珠光體的形態為片狀珠光體，其高倍顯微組織如圖8所示。

圖6　煤氣發生爐立面鋼板的縱向顯微組織Fig.6　Longitudinal micro-structure of facade plate of gas generator

圖7　煤氣發生爐立面鋼板的橫向顯微組織Fig.7　Horizontal micro-structure of facade plate of gas generator

圖8　煤氣發生爐立面鋼板顯微組織中珠光體的形態Fig.8　Pear-lite morphology in the micro-structure of facade plate of gas generator

2討論

理化分析結果表明，該煤氣發生爐的鋼板材質、化學成分均符合相關技術要求。從斷面宏觀及微觀形貌中看出，該斷口磨損銹蝕嚴重，宏觀形貌呈木紋狀斷口特征，微觀形貌表現為準解理脆性斷口特征，其斷裂過程是氧化腐蝕應力等因素綜合作用的結果。鋼板中存在少量的硫化物和硅酸鹽等非金屬夾雜物導致應力集中，對鋼板斷裂產生一定影響。鋼板的金相組織為鐵素體加珠光體，縱向和橫向呈2～3級帶狀組織分布，導致了鋼基體組織的不均勻性，嚴重降低了鋼板的機械性能。

為了防止類似事故的發生，應盡可能減少鋼材冶煉及澆注過程中夾雜的產生，設法排除已存在于鋼材中的夾雜物，降低鋼材軋制過程中有害夾雜物含量，并對鋼板中的夾雜物進行定性和定量的檢測，找出規律、改進工藝，提高質量。為了減少帶狀組織缺陷的發生，可用電渣重熔、增大結晶速度、提高終軋溫度、增大鍛造比或擴散退火等方式來改善或避免，而帶狀組織的消除一般采取正火處理[8]。

3結論

通過對鋼板斷口進行理化分析，發現鋼板中帶狀金相組織是導致鋼板斷裂的主要原因。鋼板中含有大量的帶狀金相組織，成層狀平行排列分布，能破壞鋼基體的連續性和均勻性,降低鋼板的機械性能。鋼板中的夾雜物含量雖然少，但在室溫下塑性很差，屬于脆性相，與鋼基體的結合力很弱，且在鋼板中比較集中，形成夾雜缺陷，導致鋼板中產生應力，對鋼的性能產生一定影響，在長時間的載荷作用下易發生疲勞斷裂。

參考文獻:

[1]顧群音.煤氣發生爐氣化過程分析與提高煤氣品質的技術措施[J].上海理工大學學報, 2006,28(1):99-102.

[2]郭富,游鵬飛.工業煤氣發生爐危險性評價分析[J].工業安全與環保,2010,36(10):29-30.

[3]王濤.淺析煤氣發生爐裝置的安全設計要求[J].科教導刊,2010 (16):180-181.

[4]張軍.煤氣發生爐安全運行探析[J].山西科技,2010,25(3):92-94.

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB50195-2013發生爐煤氣站設計規范[S]. 北京:中國計劃出版社. 2013.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 700-2006 碳素結構鋼[S]．北京:中國標準出版社, 2007.

[7]中華人民共和國國家技術監督局.GB/T 13299-91鋼的顯微組織評定方法[S]. 北京:中國標準出版社,1992.

[8]駱曉玲,徐坤山.煤氣發生爐爆炸事故原因及預防措施[J].煤氣與熱力, 2010,30(1):B11-B13.

Failure analysis of facade plate fracture of gas generator

XIU Da-peng，ZHANG Xin-en

(Institute of New Materials, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China)

Abstract∶We analyze such failure reasons of steel plate Q235B fracture of gas generator as its chemical composition, fracture appearance and inclusion composition by a spectrometer, a metallurgical microscope, an electron probe, etc. We discover that the main causes of the steel plate fracture are sulfide-silicate inclusion and strip metallographic structure in the steel plate. We further present such prevention and improvement measures as inclusion reduction, normalizing processing or strip structure elimination through diffusion annealing.

Key words∶abrasion and corrosion; stress concentration; fatigue fracture; metallographic structure

中圖分類號：TG255

文獻標識碼：A

文章編號：1002-4026(2016)02-0036-05

作者簡介：修大鵬(1981-)，男，助理研究員，研究方向為金屬材料或無機非金屬材料在各領域內的應用。Email:xiudapeng@126.com

收稿日期：2015-08-25

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2016.02.008