浙江至德鋼業有限公司針對某燃燒生物質鍋爐不銹鋼爐管長期服役開裂失效的情況，通過化學成分分析、力學性能測試、掃描電鏡、能譜分析及金相組織分析的測試方法，對開裂不銹鋼爐管進行取樣，分析了開裂失效的原因。結果表明，煙氣沖刷腐蝕是爐管減薄的主要原因；同時煙氣和鍋爐間歇工作導致露點腐蝕，使管壁集聚了大量氯離子和硫，加劇了對爐管的腐蝕；爐管長期服役時的局部過熱導致組織老化，造成部分區域力學性能下降，也是爐管失效的一個原因；最終導致爐管開裂的原因是爐管爆破失效。鍋爐是現代工業中的主要設備之一，其安全穩定地運行是生產的重要保障，但是近些年鍋爐事故頻繁發生，不僅帶來巨大財產損失；同時給從業人員的生命安全帶來巨大威脅，因此對鍋爐事故原因進行分析，進而采取相應的預防措施，保障設備的正常運行具有重要意義。

 數據資料顯示，爐管失效事故在鍋爐事故中的占比在一半以上，因為管道在運行過程中，受到內部介質和周圍環境的影響，將不可避免地遇到各種影響管道性能和壽命的問題。國內外學者已經報道過許多導致爐管失效的原因。浙江至德鋼業有限公司研究了結焦導致加熱爐不銹鋼爐管爆裂的案例，并采用有限元模擬軟件對結焦管進行模擬，探討了結焦厚度對爐管的影響。研究一段失效不銹鋼爐管發現，爐管的向火面在長期高溫煙氣作用下，材料的化學成分逐漸發生改變，有害元素超標導致材料發生脆化。則研究發現，在焦化加熱爐中不銹鋼爐管的常見失效方式有熱疲勞、熱腐蝕和蠕變，同時還為不銹鋼爐管的安全性評價和剩余壽命預測提供了依據。除此之外，還有許多其他被報道的失效原因，例如局部過熱、電化學腐蝕、沖刷腐蝕、塑性變形等。除了對失效原因進行研究，一些學者還從預防措施角度進行了研究，例如，從數值模擬角度研究了高溫煙氣對不銹鋼爐管的沖蝕，并提出了預防措施；從材質和流程等角度分析，提出了防止不銹鋼爐管失效的措施。

 以上的案例多集中在不銹鋼爐管受熱面發生失效的情況，至德鋼業則以某燃燒生物質的蛇管型鍋爐向火側和背火側都發生開裂失效的情況為例，通過多種測試方式研究不銹鋼爐管失效的原因，為預防相應事故的發生提供參考和指導。

一、概況

 1. 失效不銹鋼爐管服役情況

  發生失效的鍋爐為型號YLW-14000M的燃燒生物質鍋爐，制造日期為2014年4月。鍋爐中央為火焰，四周墻壁上布置有盤管式爐管。設計壓力1.4MPa，出油溫度285℃，循環流量800ｍ3/h。爐管材料為20G，管內流動介質為L-QC320L型有機熱載體。鍋爐通過將燃料燃燒，產生火焰加熱爐管內的有機熱載體將熱量帶出，不銹鋼爐管的服役溫度未知。失效的部位見圖中標注處。

  經過調查，該鍋爐與另外４臺鍋爐共用一套出油母管，根據生產所需熱能的變化為生產裝置供熱，５臺鍋爐需要經常進行間歇性的停爐和切換。事故經過是工人正在進行停爐操作，一人對該鍋爐進行關閉出油閥操作，旁通閥微開，發現爐膛內冒出黑煙，約數秒后右側爐門處有火焰噴出，鍋爐操作人員隨即用消防水對起火鍋爐進行了滅火操作，明火熄滅。

 2. 檢驗方法

 一根不銹鋼爐管的向火側發生開裂失效，在保證裂紋完整的情況下，將失效管與上部相鄰管切割下來，觀察裂紋部位的宏觀形貌；并取裂紋管與相鄰管表面不同部位的表面附著物，利用變換紅外光譜儀、Ｘ射線衍射儀、場發射掃描電子顯微鏡的EDS模組進行成分分析；在兩管的不同部位取樣制備金相試樣，使用倒置金相顯微鏡和掃描電鏡觀察金相試樣；依據GB/T 228.1-2010 標準要求，在兩管失效與未失效部位加工拉伸試樣，并使用材料試驗機對試樣進行室溫拉伸性能試驗，同時，利用掃描電鏡對試樣斷口進行觀察。

 3. 取樣位置

 將失效的管子標號為A管，將上部相鄰的未失效管標號為B管，為進行測試，對管子不同區域的取樣位置如圖所示。將不銹鋼爐管劃分為4個區域，分別為向火側、背火側、頂部以及底部。對Ａ管在向火側裂紋附近取10個試樣，背火側、頂部及底部各取3個試樣，每一個取樣點同時取表面附著物試樣和金相試樣；對B管，在向火側沒有裂紋，故只取3個試樣，其他區域與A管相同，同樣每個取樣點取附著物試樣和金屬試樣。在A管向火側裂紋附近、背火側和頂部各取6個拉伸試樣，共18個試樣，B管與A管相同取18個拉伸試樣。

二、測試結果與分析

 1. 宏觀形貌

  將失效管截取下來后發現，背火側也存在一條較短的裂紋，即背火側失效也需要通過分析測試尋找原因。向火側與背火側失效處宏觀形貌如圖所示。

  向火側裂紋經測量長度約為210ｍｍ，邊緣呈銳邊，部分區域邊緣向爐管外表面翻折，裂紋及裂尖處的厚度平均值為0.50～0.52ｍｍ；背火側的裂紋長度約為47ｍｍ，邊緣也為銳邊，測量時發現管徑變化明顯，向火側和背火側厚度減薄嚴重。

  從管側面測量時，整管最厚處為頂部5.96ｍｍ，向火側厚度減薄至最薄1.14ｍｍ，背火側厚度最薄為1.22ｍｍ。管內徑變化不大，管徑變化主要由外部減薄引起。

  B管上無明顯裂紋，管徑也有較明顯變化，同樣內徑變化不大，主要是由外部減薄造成。從側邊測量，最厚處為頂部5.14ｍｍ，向火側最薄處為2.08ｍｍ，背火側最薄為2.78ｍｍ。對比兩根管可知，相對出廠條件，兩管各區域的厚度都有減小。管外壁有呈剝離狀垢層，其結構比較疏松，內壁沒有明顯的剝離狀垢層，如圖所示。取不同區域垢樣進行測試，其厚度變化較大。

 2. 垢樣成分分析

 為測試垢樣是否為未燃燒的有機生物質，首先對垢樣進行紅外光譜分析，分析結果顯示垢樣中確存在有機物，但含量接近可檢測下限，說明垢樣中有機成分的含量極小，不是未燃燒的有機生物質；之后對垢樣進行了XRD和EDS測試，檢測化合物成分及元素含量。以裂紋處的一個試樣為例，XRD測試情況如圖所示。

 從圖中可以看出，主要峰值與氯化鈉和三氧化二鐵的特征峰對應良好，而其他峰多為背景干擾或強度較低，說明此試樣中主要物質為氯化鈉和三氧化二鐵。之后對所有垢層試樣進行統計，發現幾乎所有的試樣均存在以上三種物質，同時部分試樣中存在K3Na(SO4）、KFe2S3Ｋ、Na2CO3等物質，說明試樣中的化合物主要是鈉，鉀的氯鹽、硫酸鹽和碳酸鹽以及鐵鹽、鐵銹。

 EDS測試能反映垢樣中存在的元素與含量，因為測試樣品較多，統計后將樣品中主要元素的含量范圍列于表中，各元素之和不為100％。

 從表中可以看出，試樣中主要元素與XRD結果吻合較好。部分試樣碳含量較高的同時、鈉，Ｋ，氧含量較低，對比XRD和紅外光譜數據，推測可能存在碳單質（例如炭黑）。這類試樣主要集中在兩管的背火側，從表中還可以看出，背火側試樣的碳含量普遍較高。EDA數據中所有試樣硫，鈉，鉀，氯含量都較高，印證了XRD數據反映的氯鹽及硫鹽存在的情況。這主要是由于生物質鍋爐以農林廢棄物作為燃料，生物質燃料一般含較多的氯、硫等元素并含有大量水分。燃燒時氯元素會在一定條件下生成氯化物及少量的氯化氫，硫元素則會生成二氧化硫，三氧化硫及少量硫化二氫等。高溫煙氣中的硫化氫，硫化二氫和熱熔鹽會對爐管產生一定的腐蝕。但相比之下，停爐檢修（一般2～3個月停爐清焦／灰一次）時，由于爐膛溫度下降而產生的露點腐蝕更為嚴重，這是造成管壁腐蝕的主要原因。停爐過程中，爐膛內煙氣會隨溫度降低而轉化成過飽和態，此時煙氣中含氯化氫，硫化合物的水汽開始凝結成酸露。酸露會與爐管金屬發生反應產生露點腐蝕，進而導致壁厚減薄，這種情況在眾多失效事故中均有報道。同時，氯鹽、鉀鹽、鈉鹽等也會與水分混合形成溶液，進而釋放出諸如氯離子等對爐管產生腐蝕，導致管壁減薄。因此從結果來看，垢層中存在的氯離子、硫酸根離子、硫化物都是鋼材受到較強的腐蝕而減薄的證據。此外，部分垢樣中鐵銹含量較高，說明此處鋼材銹蝕嚴重，同樣會導致鋼材減薄。

 3. 鋼材化學成分分析

  金屬材料的化學成分對性能的影響重大，GB/T 699-2015 給出了20Ｇ材料化學元素含量的相關標準值，對鋼材化學成分分析后與標準值對比如表所示。

 以上只展示了失效管Ａ管的相關測試結果，與GB/T 699-2015對比，除Ａ管裂紋處第一個試樣的硫含量偏高外，其他試樣各元素含量都符合國家標準要求，硫含量超標可能的原因是表面垢層中的硫酸鹽或硫化物滲透進鋼材中。Ａ管其他試樣及Ｂ管試樣的元素分析結果雖未列出，但也都符合國家標準。

 4. 微觀組織分析

 依照之前所述方法取金相試樣，進行光學金相顯微鏡和SEM觀察，光學金相如圖所示。圖中組織白色部分為鐵素體，黑色部分為珠光體，符合20G的組織存在形式?？梢钥吹剑鱾€區域的組織都有一定的老化現象，根據DL/T 674-1999 的評定標準，大部分組織珠光體球化達到了2級，即有球化的傾向，小部分組織達到了球化3級，即輕度球化。在高溫環境下服役時珠光體球化是必然的趨勢，且珠光體球化的速率與溫度呈指數關系，圖所表現的球化現象說明爐管在服役時出現超溫現象，而研究表明珠光體球化會削弱金屬材料的室溫抗拉強度和屈服強度。

 同時對放大圖像進行統計發現，Ａ管頂部區域鐵素體晶粒平均值小于裂紋處晶粒平均值，說明爐管在服役時存在溫度梯度。從統計結果看，向火側裂紋區晶粒更大，平均值為75～88μｍ，背火側晶粒平均值為35～55μｍ，頂部晶粒平均值為50～60μｍ，因為向火側溫度更高，晶粒受高溫過熱影響逐漸長大所致。而細小且均勻的組織能帶來更好的力學性能，因此從金相組織來看，爐管各區域性能都有所惡化，而向火側性能惡化程度更大一些。B管的金相組織與A管相似，各區域的組織都有老化現象，大部分區域呈現珠光體球化2級，且向火側晶粒平均大小大于背火側、頂部和底部晶粒。

 圖中標注部位均為組織微裂紋，其中圖左側為爐管外壁，微裂紋區域大小與深度明顯大于內壁，且有連成片的趨勢，但是內壁微裂紋分布的長度要稍長一些，說明爐管外壁受損程度更大，向火側裂紋是從外壁向內壁擴展的，但是內部也有損傷，這也可以從圖得以印證，圖左側為管外壁，組織破碎程度明顯大于內壁。圖中僅一小塊區域有微小的裂痕，組織完好度明顯優于向火側裂紋處組織，這與爐管實際宏觀損害情況相符。此外，未發現明顯的晶界空洞和脫碳微裂紋等微觀結構異常的現象，因此可以排除蠕變與氫致損傷的現象。值得注意的情況是，所取金相試樣由于過薄，沒有去除表面垢層，直接鑲樣打磨拋光，測試時發現樣品拋光面會很快發生腐蝕；再重新處理，確定操作無誤后仍會較快發生腐蝕，分析認為是表面垢層中存在的氯鹽等腐蝕性化合物導致，更加反映了對鋼材腐蝕的嚴重度。

 5. 力學性能分析

 通過微觀組織分析發現，爐管的各區域組織都有惡化，向火側惡化更嚴重，組織惡化導致的力學性能惡化程度由拉伸試驗檢測。根據GB 3087-2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》的規定，20G的抗拉強度σｂ≥410MPa，斷面收縮率ψ≥55%。將按照所述方法制取的3~6個拉伸試樣進行室溫拉伸性能試驗，各試樣尺寸一致，結構尺寸如圖所示，試驗結果排除錯誤值后取最小值見表。

 從表中數據可以看出，所有試樣的斷面收縮率都大于55%，符合GB 3087-2008 標準的規定。但是Ａ管向火側試樣抗拉強度最小值只有374MPa，小于標準規定的410MPa，除此之外，其他部分抗拉強度均符合標準規定，特別是兩管頂部區域都超過了500MPa。同時Ａ，Ｂ管頂部的抗拉強度值都大于向火側和背火側，這與金相組織展現的結果是一致的，即向火側的性能惡化程度更大，頂部的性能更好。大部分性能符合標準規定，也反映了雖然爐管的組織均有不同程度的老化，但是大多都沒有對材料的性能產生較大的影響，只有性能惡化最嚴重的向火側出現材料性能不符的情況。

 對拉伸試件的斷口拍攝掃描電鏡圖進行分析，SEM圖如圖所示，拉伸試樣斷口的大部分區域為韌窩區，第二相粒子也清晰可見，這是典型的韌性斷裂的結構特征，表明材料的韌性較好。但是對比圖可見，圖中解理區或準解理區明顯多于圖，解理區是脆性斷裂的特征，表明雖然向火側的材料仍然以韌性性能為主，但是韌性差于背火側與頂部，反映了向火側材料性能的下降。圖展示的是Ａ管向火側試樣邊角處存在的解理區，在其他區域試樣斷口的邊角處也同樣能觀察到解理區，是金屬拉伸試驗的正常現象。Ａ管其他試樣以及Ｂ管試樣與圖中展示類似，綜合分析，各區域的韌性良好。

三、失效原因分析

 綜合上述所有測試結果，失效管樣與未失效管樣的化學成分、微觀組織、各項力學性能測試結果相似，減薄情況也相似，說明管樣的失效不是偶發情況，而是多處管樣都有可能發生的情況，只是發生的時間不同。

 從拉伸試驗結果及金相組織分析，管子在服役期間承受高溫及溫度分布梯度，各區域都有老化特征，達到珠光體球化2級。但向火側因為直接接觸火焰，除了發生珠光體球化之外，還出現了金相晶粒長大的情況，二者綜合導致向火側材料性能惡化更加劇烈，使得失效管向火側出現性能指標低于 GB 3087-2008 標準規定的情況，這是向火側開裂失效的原因之一。但是Ａ管背火側溫度應是最低的，同樣出現開裂失效的情況，表明還有其他原因導致失效。

 從元素分析與表面垢層成分分析角度，管樣減薄處表面存在較嚴重的垢層，垢層的結構很疏松，與基體連接不緊密，存在明顯的空腔，主要成分是鐵銹以及腐蝕性化合物。EDS分析顯示垢樣成分中含有氯和硫較高的腐蝕物，可以推斷停爐時氯化氫，硫化混合物，硫化氫等酸性氣體會與水結合形成酸露，露點腐蝕是管壁減薄的原因之一。氯離子易在表面缺陷處富集，局部形成酸性環境，使腐蝕向內擴展，造成管壁減薄。大量的氯離子和硫離子吸附在金屬的表面會同時破壞防腐鍍層或者金屬自發形成的鈍化膜，表面鈍化膜的修復速度低于被破壞的速度，形成點蝕進而擴展到整個表面，最終導致基體金屬被消耗，即管壁減薄。這與分析發現的管壁減薄為外側減薄而非內側減薄的情況相符合。同時在進行金相測試時僅對金相側面（即厚度方向）進行了打磨拋光，而沒有對外表面和內表面打磨拋光，使得表面的垢層沒有被去掉，因此出現金相表面快速銹蝕的現象也符合氯離子導致的腐蝕速率加快。此外金屬成分分析中已經發現有硫元素超標的現象，表明表面聚集的硫元素已經開始向鋼材內部滲透。

 而向火側與背火側腐蝕物集聚較多的原因可以從爐管的服役情況得知，不銹鋼爐管的向火側經受煙氣的沖蝕，背火側與墻壁之間存在縫隙，煙氣可以從這里流過且速度較大，而頂部與底部因為盤管且為水平的原因，煙氣流速很小，因此導致了向火側和背火側各種腐蝕性鹽類聚集較多；同時，煙氣對爐管有沖蝕作用，這種現象在文獻中也有提到，煙氣的沖蝕作用與鹽類的腐蝕作用疊加導致減薄加劇。

 因此可以得出，對不銹鋼爐管的向火側，存在的過熱情況導致的組織老化和晶粒長大帶來力學性能惡化，但沒有長期過熱失效應有的爆口邊緣粗糙、不平、沒有鋒利的邊口，爆口處上下左右各部分管子有輕微的脹粗現象，因此并不是長期過熱導致的失效；同時煙氣流過使向火側氯鹽和硫鹽聚集，對管子產生腐蝕，煙氣對管子也有沖蝕作用，過熱和煙氣腐蝕的綜合作用導致管子向火側減薄最嚴重。對不銹鋼爐管頂部與底部，溫度較向火側低，組織老化對力學性能產生的影響小，力學性能仍較為良好；同時較少或幾乎沒有煙氣流過，使得腐蝕物聚集少，沖蝕作用小，因而減薄少。對爐管的背火側，雖然力學性能沒有受到過多影響，但是同樣有較多煙氣流過，且流速大，帶來氯和硫的聚集腐蝕和沖蝕作用，因此背火側煙氣的腐蝕是主要減薄原因。而在壁厚減薄的情況下，最終導致不銹鋼爐管開裂的原因是爐管爆破壓力低于工作壓力，引發爆破開裂失效。

四、結論與建議

 浙江至德鋼業有限公司通過對20G生物質鍋爐不銹鋼爐管向火側及背火側發生開裂失效的案例分析，認為不銹鋼爐管在服役，特別是停爐檢修過程中，因酸性腐蝕物的聚集而產生的露點腐蝕及煙氣的沖蝕作用是引發壁厚減薄的原因，其中沖蝕作用是主要原因，而最終導致開裂的原因是爐管發生了爆破失效開裂。同時鍋爐的高溫環境造成材料組織老化，力學性能下降，雖然對大部分區域的整體性能沒有產生嚴重影響，但對向火側性能的降低影響較大。通過對比失效管樣與未失效管樣的化學成分、微觀組織、減薄情況以及各項力學性能測試結果，發現開裂失效并不是一個偶發現象，而是在該鍋爐其他不銹鋼爐管上都有可能發生的情況。

 為了減少此類失效事故的發生，提出以下建議：

 1. 改變煙氣流向，避免煙氣直接橫掠爐管，減少煙氣的沖蝕作用及腐蝕物的聚集；

 2. 根據不銹鋼爐管表面結垢的情況，及時清理表面垢層，著重注意停爐后垢層的清理；

 3. 加強不銹鋼爐管外壁的防腐保護措施，如涂覆防氯、硫等腐蝕的油漆涂層等，或減少生物質燃料中的氯硫含量；

 4. 加強對溫度監控，避免出現超過設計溫度服役的現象；

 5. 定期對不銹鋼爐管的狀況進行巡檢。