摘要：某公司使用的無補燃余熱鍋爐在停機檢查時，發現高壓蒸發器某排某段翅片管發生開裂。對開裂管段進行了宏觀觀察和掃描電鏡觀察，分析了材料的金相組織和化學成分。結果表明：管內壁一側存在較多蝕坑和多條裂紋，裂紋上均有較大面積的蝕坑;蝕坑內的腐蝕產物為氧化物和氯化物，金相顯示裂紋起源于蝕坑，擴展過程中無分叉，裂紋為穿晶形貌。確定翅片管發生的開裂為腐蝕疲勞。

　　關鍵詞：高壓蒸發器;翅片管;20G;腐蝕疲勞

　　相比于燃煤蒸汽發電廠，燃氣輪機及其聯合循環發電技術(GTCC)因高效率、低污染、運行靈活、生產周期短和投資低等優點在世界電力工業中得到了廣泛應用[1]。無補燃余熱鍋爐是指燃氣輪機的排氣進入余熱鍋爐后，無需再補充其他燃料，因此稱為無補燃[2]。

　　作為燃氣-蒸汽聯合循環電站的主要設備之一，余熱鍋爐的結構、性能極大影響到系統中其他設備，乃至整個系統的性能[3]。翅片管是組成各種熱交換器的核心元件，其質量的優劣直接影響到熱交換器的工作性能。翅片管的制造材料有鋼、銅合金、鋁合金等多種，本文所分析的開裂翅片管使用的材料為20G。20G是一種低碳鋼，G代表鍋爐中“鍋”的首字母，相比于傳統20鋼，20G還有一些微量元素，更適宜在鍋爐及壓力容器的生產中使用[4]。

　　在本次失效分析中，某電力公司的無補燃自然循環余熱鍋爐于2014年投入使用，在2018年停機檢查時，發現靠近高壓蒸發器入口聯箱處一處翅片管下部發生開裂，因小于設計壽命，屬于早期失效。翅片管使用的材料為20G，管內介質為蒸汽和鍋爐水，工作溫度約200℃。本研究通過宏觀分析、斷口分析、金相分析和化學成分檢驗等技術手段，揭示了高壓蒸發器翅片管開裂的原因，這有助于減少和避免同類產品的失效重復發生。

　　1檢驗結果

　　1.1失效件宏觀觀察

　　裂紋在管內壁側開口較寬，裂紋內存在一些腐蝕產物。在管內壁，裂紋上及裂紋周邊存在一些蝕坑。將裂紋1打開，觀察裂紋打開后形成的斷口(以下稱斷口1)，斷口1形貌較平坦，顏色較深，在斷口1的管內壁側可見若干半圓形的蝕坑。為明確此次開裂的斷裂性質，將未發生開裂的管段縱剖后對內壁進行觀察。同時還發現較多條沿管壁周向開裂的細小裂紋，如黑色箭頭所指，這些裂紋尚未穿透管壁，裂紋上均有較深的蝕坑。

　　1.2失效件微觀觀察

　　將斷口1放入掃描電鏡進行放大觀察，但該處斷口遭到破壞，原始形貌已無法辨認。這是由于管內介質為高溫鍋爐水及蒸汽，當管壁開裂時，管內介質自開裂處外泄，對斷口形貌造成嚴重破壞。對斷口邊緣的凹坑進行放大觀察，凹坑內呈現開裂的泥狀形貌。

　　這種泥狀形貌是由于較多的腐蝕產物堆積，在較高溫度下龜裂導致的。截取一段帶內壁裂紋的3號管，放在掃描電鏡下進行觀察，裂紋(以下稱裂紋2)的SEM形貌�？煽闯�，裂紋2也沿周向擴展，無明顯分叉;在裂紋2中部有兩個較大的蝕坑，由此可判斷裂紋的產生與管內壁的蝕坑存在一定聯系。蝕坑內殘留的腐蝕產物EDS分析結果。可看出，蝕坑內的腐蝕產物主要為氧化物和氯化物。

　　1.3失效件金相觀察

　　在3號管上再截取一段有裂紋的管壁，垂直于裂紋方向剖開，將裂紋截面制成金相樣品放在金相顯微鏡下進行觀察，樣品形貌�？梢�，裂紋長直，自管壁內側向外側擴展，擴展過程中未見明顯分叉，裂紋起源于管壁內側的蝕坑處，裂紋周圍未見其他明顯缺陷。使用硝酸酒精溶液對樣品進行腐蝕后放大觀察，其金相組織為鐵素體+珠光體，對裂紋尖端部放大觀察�？梢钥闯�，裂紋不沿晶界擴展，而直接從晶粒中穿過，由此可判斷斷裂形式為穿晶斷裂。另外，在截面內壁側也發現若干微裂紋，這些微裂紋也起源于內壁側的蝕坑處。

　　1.4失效件化學成分測試

　　切取部分管段，將管壁壓平后制成30mm×30 mm的片狀樣品，拋光后使用直讀光譜儀對材料的化學成分進行測試，并與GB713-2008中20G的標準值對測試結果進行比對。

　　2分析與討論

　　對開裂翅片管進行宏觀觀察發現，管內壁側裂紋1上有面積較大的蝕坑，將裂紋1打開后，在斷口1截面內壁側也發現若干半圓形的蝕坑存在。將未發現開裂的管段縱剖，發現管內壁存在較多小蝕坑，且有若干條沿軸向擴展的小裂紋，裂紋上也有蝕坑分布，這些裂紋形態與裂紋1基本一致。

　　根據宏觀觀察可確定裂紋系自管內側向外側擴展，裂紋的產生應該與管內環境及介質有關。通常來說金屬在具有一定腐蝕性的介質環境下發生開裂主要有兩種原因，即應力腐蝕和腐蝕疲勞[6]。應力腐蝕是由于構件中有較大的殘余應力，在某種特定的介質環境下，發生的瞬時斷裂。其特征為：裂紋往往起源于應力集中處，裂紋尖端尖銳，在擴展過程中有較多樹枝狀分叉，通常情況下為沿晶斷裂(大應力條件下也可能為穿晶斷裂)。

　　對于不同的金屬材料，導致其發生應力腐蝕的介質也不同，對于普通的碳鋼來說，在含有SO42-、S2-、NaOH等介質的環境中較易產生應力腐蝕[5-8]。腐蝕疲勞是由于構件處于交變載荷的作用下，交變載荷與腐蝕介質共同作用引起的開裂。其特征為：裂紋平直且無分叉或很少分叉，通常情況下為穿晶斷裂，斷口偶爾可見疲勞弧線(但由于腐蝕產物原因往往難以分辨)，在任何介質條件下都可發生[9-11]。

　　對樣品進行微觀觀察發現：斷口1的蝕坑內存在泥狀形貌，泥狀形貌是腐蝕產物在較高溫度下發生龜裂導致的。在縱剖的管段上切取一條裂紋2，觀察發現裂紋2上也有較大的蝕坑，且蝕坑內的腐蝕產物經EDS分析為氧化物和氯化物。上述觀察結果符合腐蝕疲勞的特征。將裂紋截面制成金相樣品進行觀察，發現裂紋長直無明顯分叉，這一點也與應力腐蝕的特征不符， 且裂紋呈明顯的穿晶斷裂形貌。

　　金相觀察還發現裂紋起源于內壁側的蝕坑底部，這是由于管內壁長期處于較高溫度的鍋爐水環境下，且介質中含有氯離子，導致局部發生點蝕，產生蝕坑，蝕坑底部為應力集中處。散熱器在工作中由于內部液、氣流動等原因會出現輕微振動，這種振動相當于作用在構件上的循環載荷，由于蝕坑底部存在應力集中，更易萌生疲勞裂紋。綜上，在循環載荷和腐蝕介質(鍋爐水環境)共同導致的腐蝕疲勞作用下，在翅片管內壁的蝕坑處萌生疲勞裂紋，且逐漸擴展，這最終導致了散熱器管壁發生開裂。

　　3結論與預防建議

　　(1)送檢翅片管的開裂性質屬于腐蝕疲勞。管內壁在高溫鍋爐水的介質環境下發生點蝕產生蝕坑，在循環振動載荷的作用下，蝕坑處萌生疲勞裂紋，最終導致管壁開裂而泄漏。(2)腐蝕疲勞是腐蝕介質和循環載荷共同作用的結果。因此，應首先對管內的鍋爐水介質進行嚴格監測，避免水中的S、Cl等促進腐蝕作用的元素含量過高;同時應適當減輕管道在工作中的振動。

　　參考文獻:

　　[1]李強.燃機電廠生產過程一體化研究[J].中國石油和化工標準與質量，2011，31(4)：141-142.

　　[2]徐玉杰，林汝謀，蔡睿賢.無補燃余熱鍋爐型聯合循環性能的簡捷估算方法[J].動力工程學報，2005，25(3)：437-442.

　　[3]馮志兵，崔平.聯合循環中的余熱鍋爐[J].燃氣輪機技術，2003，16(3)：26-33.

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

　　[5]趙志農.腐蝕失效分析案例[M].北京：化學工業出版社，2009.

　　[6]喬利杰，王燕斌，褚武揚.應力腐蝕機理[M].北京：科學出版社，1993.

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

　　作者：李天夫,屈伸,田繼豐,張哲峰