转炉烟罩冷却水管早期失效分析
转炉烟罩冷却水管早期失效分析
摘要：为分析转炉烟罩冷却水管早期失效原因，用金相显微镜，扫描电镜，X射线衍射仪等对失效水管进行了检验和分析，结果表明，水管外壁的孔洞是内壁扩展到外壁的热疲劳裂纹，疲劳裂纹是在高温和交变热应力状态下发生的痒腐蚀造成的。
关键词：烟罩冷却水管；热疲劳；氧腐蚀
文章编号：1001-0777(2011)04-0045-03
转炉烟罩是烟气净化回收系统的一部分，位于转炉上方，转炉烟气在经过烟罩时，与冷却水管内的水进行热量交换，把热量回收进行再利用。某转炉烟罩在使用2年后，运行过程中冷却水管出现漏水现象。为分析水管渗漏原因，制定修理方案，对水管取样进行了相关检验。
1 检验测试
1.1 宏观检验
对水管进行检查发现：水管向火侧存在大量孔洞，宏观形貌见图1，图中箭头所示处为孔洞。该烟罩设计使用寿命3年，水管采用材质为20G的无缝钢管，规格为φ38mm，壁厚4.5mm。
将水管解剖后进行宏观观察，向火侧水管内壁存在较多红的腐蚀产物和横向裂纹，部分裂纹贯穿壁厚在外壁上形成孔洞，见图2。向火侧和背火侧的水管壁厚度分别为3mm和4.5mm。
1.2 化学成分分析
对水管取样进行化学成分分析，见表1，结果表明水管成分符合“GB5310-1995高压锅炉用无缝钢管”的标准要求，属于优质碳素组合钢。
1.3 低倍检验
分别取横截面和表面试样用热盐酸水溶液进行低倍酸洗检验，内壁上红色腐蚀产物下还存在一层与水管结合较紧密的黑色腐蚀产物，酸洗溶解全部腐蚀产物后发现内壁上存在很多横向裂纹，见图3，裂纹长约30mm，它只存在向火侧水管内壁上。
1.4 腐蚀产物相分析
取内壁腐蚀产物用X射线衍射进行相分析，结果表明腐蚀层主要成分为Fe3O4和FeO，属氧腐蚀产物，见图4。
1.5 除氧水氧含量检测
对水管内的除氧水取样节能型氧含量检测，结果表明，水中的氧的智联浓度为3.2mg/L，明显高于0.015mg/L的除氧水水质要求。
1.6 金相截面上裂纹观察
分别在向火侧和背火侧磨制若干截面金相试样进行观察。水管内壁均存在一层腐蚀产物，向火侧和背火侧的腐蚀层厚度分别约为300μm和180μm。向火侧内壁上有多条由内表面向外扩展的垂直裂纹，裂纹深度约为1.6mm，部分裂纹贯穿整个壁厚，见图5；背火侧内壁上也存在裂纹，深度较浅，约为003mm，见图6。
1.7 扫描电镜能谱分析
用扫描电镜配合能谱仪对上述观察到的腐蚀产物进行成分分析，内壁腐蚀曾主要成分为O和Fe，裂纹内的腐蚀产物还含有少量的Si和S，见图7和表2。
1.8 组织检验
金相试样经3%硝酸究竟溶液浸蚀观察，水管组织为铁素体+珠光体，见图8，珠光体中的碳化物有轻微的球化特征。
2 分析讨论
水管内壁腐蚀产物分为两层，表层红色腐蚀产物较疏松，且容易剥落，应为α-Fe2O3，这是常温下的氧腐蚀产物；内层黑色腐蚀产物与水管结合紧密，X射线衍射仪相分析结果表明其为Fe3O4，这是高温下的氧腐蚀产物，说明水管内壁在使用中发生了氧腐蚀。
转炉冶炼是个周期性的过程，烟气温度不断地发生着变化，与烟气直接接触的烟罩水管温度也发生交替变化，由此造成水管内产生了交变的热应力。在这种交变热应力的作用下，水管内壁均匀腐蚀形成的腐蚀层会发生破裂，导致水中的氧更容易与水管基体发生反应，由此造成小裂纹。小裂纹形成后，裂纹是应力集中处，容易发生滑移台阶和钝化膜破裂。水管内壁互相平行的横裂纹，是典型的热疲劳裂纹。
水管向火侧的裂纹明显比背火侧裂纹深，这与向火侧水管处于温度的部位，受热冲击影响也严重，并且与高温时氧的腐蚀性强有直接关系。
水管组织具有轻微的球化特征，但未发现碳化物有聚集长大现象，说明水管使用过程中未出现超温。水管向火侧和背火侧的厚度有明显差异，这是由于转炉烟气对水管的冲蚀磨损所致。
根据以上分析可以得出孔洞的产生过程如下:循环水中的氧在高温和热应力的双重作用下与水管内壁发生氧腐蚀，在交变热应力的作用下，腐蚀不断积累，产生从内壁向外扩展的热疲劳裂纹；同时，水管外壁被转炉烟气冲蚀减薄，使裂纹贯穿整个壁厚，形成水管外壁上观察到的孔洞，导致水管漏水。
3 结论
1)水管上的孔洞是氧腐蚀性热疲劳裂纹贯穿壁厚造成的。
2)水管向火侧外壁被转炉烟气冲蚀减薄加速了孔洞的产生。
3)可以通过严格控制水中的氧含量来减轻内壁的氧腐蚀程度，从而减少裂纹的产生，防止水管发生漏水。
