1、鍋爐水冷壁管表面缺陷分析13-14學年短學期綜合實驗B匯報人： 蔣 俊 12010313 指導老師：晏井利 2013/9/11鍋爐水冷壁管表面缺陷分析材料科學與工程學院 東南大學 南京 蔣俊12010313摘要：針對揚子石化烯烴廠某鍋爐水冷壁向火側外表面出現坑狀缺陷現象，采用宏觀檢驗、力學性能檢測、金相檢驗、成分分析等方法對此鍋爐水冷壁管所出現缺陷的原因進行了分析。結果表明水冷壁管向火面缺陷是由于外力造成的。關鍵字：水冷壁管 表面缺陷 向火面 外力一 研究目的：揚子石化烯烴廠某鍋爐水冷壁管在點火運行過程中其向火一側爐管表面出現多處坑狀缺陷現象。該批爐管材質為20G，為膜式橫向三排結構，鍋爐運行

2、時間約1萬小時以上。為了查明水冷壁管向火側出現缺陷原因，對典型的缺陷管段采取割管，進行取樣分析和檢驗；在查明缺陷原因的基礎上，尋求改進措施和解決方案。二 水冷壁管簡介水冷壁管：水冷壁管是鍋爐的主要受熱部分，敷設在鍋爐爐膛四周，它由數排鋼管組成，分布于鍋爐爐膛的四周。它的內部為流動的水或蒸汽，作用是吸收爐膛中高溫火焰或煙氣的輻射熱量，在管內產生蒸汽或熱水，并降低爐墻溫度，保護爐墻。在大容量鍋爐中，爐內火焰溫度很高，熱輻射的強度很大。鍋爐中有4050%甚至更多的熱量由水冷壁所吸收。除少數小容量鍋爐外，現代的水管鍋爐均以水冷壁作為鍋爐中最主要的蒸發受熱面。三 爐管缺陷原因預測根據對所查找的資料和有關

3、失效分析的案例，初步對爐管向火面表面出現缺陷的可能原因進行了預測，分別為應力斷裂、腐蝕、疲勞、磨損、質量控制失誤（含外力影響）等五種主要失效形式。3.1 應力斷裂應力斷裂分為：高溫蠕變、短期過熱、石墨化。3.1.1 高溫蠕變鍋爐受熱面管在正常的設計溫度和壓力下運行，其使用壽命能達 1015 萬小時以上。但如果管壁溫度長期處于設計溫度以上而低于材料的下臨界溫度，則會發生碳化物球化，管壁氧化減薄，持久強度下降，蠕變速度加快，直至最終爆管。管子的使用壽命便短于設計壽命，超溫程度越高，壽命越短。主要發生在高溫過熱器管、高溫再熱器管，但在不正常的運行狀態下，在低溫過熱器、再熱器、水冷壁的向火側均可發生高

4、溫蠕變。（1）失效的機理受熱面管在高溫下運行時所受的應力主要是由過熱蒸汽內壓力所造成的對管子的切向應力。在這種應力的作用下，使管徑發生脹粗。當過熱器管在正常的設計應力作用下并于額定溫度下運行時，管子以相當于 10P-7P毫米時速度數量級的蠕變速度發生管子正常的徑向蠕變。當管子由于超溫而長期過熱時，由于運行溫度提高，既使管子所受應力不變，管子也會以加快了的蠕變速度而發生管徑脹粗。蠕變速度的加快程度與超溫的溫度的水平有關。隨著超溫幅度的提高，蠕變速度也會增加。于是，隨著超溫運行時間的增加，管徑就越脹越大，慢慢地在各處產生晶間裂紋；晶間裂紋的繼續積聚并擴大就成為宏觀軸向裂紋，最后以比正常溫度正常壓力

5、下小得多的運行時間而開裂爆管。蠕變晶間裂紋沿晶界發展，所以都是彎彎曲曲的。正因為長期過熱爆管的破口是由這些彎彎曲曲的晶間裂紋發展而成，因而破口斷裂面呈現出粗糙而不平整、邊緣是鈍邊的宏觀形貌。在受熱面管應力的最高處既彎頭部位，晶粒因出現了滑移層而變長了，在高溫的作用下產生再結晶，同時晶粒之間發生了相對位移，在蠕變的過程中，塑性變形與再結晶交替出現，晶粒之間不斷的相對位移，就在晶粒的交界處產生了蠕變孔洞，隨著運行時間的增加，蠕變孔洞逐漸聚集長大，形成晶間蠕變微裂紋，在繼續的蠕變過程中，蠕變裂紋逐步發展成為宏觀裂紋，因此在破口（破口也是裂紋之一）附近常常有為數眾多的軸向裂紋。這種裂紋很象一些老樹的樹

6、皮，從它們的形象可以使人想象到這些過熱器管在長期過熱時的高溫和應力作用下，慢慢地耗凈了“變形能力”而“衰老”，直到爆破為止的過程。相應的機械性能、合金元素的分配、剩余壽命等也隨著相應的變化， （3） 失效的特征宏觀特征：缺陷處管徑脹粗，外壁有較厚的氧化皮，內外壁有縱向裂紋。組織性能特征：高溫高壓運行過程中，主要是珠光體形態的變化，珠光體由片狀變成球狀，碳化物在晶界聚集長大，球化級別的增加。碳化物向晶界偏聚，合金元素由固溶體向碳化物轉移，在晶界上有蠕變孔洞，材料的強度、斷裂韌性、塑性降低。3.1.2 短時過熱鍋爐受熱面管在運行過程中，由于冷卻條件的惡化等原因，使管壁溫度急劇上升。（1） 失效的機

7、理短時過熱失效是鍋爐水冷壁的溫度在短時間內突然上升很高，有時達到了該管鋼材的下臨界點，甚至達到了上臨界點以上的溫度，管子在這樣高的溫度下運行，其抗拉強度在很短的時間內將會急劇下降，此時，在介質壓力作用下，受熱面管中溫度最高的向火側首先產生塑性變形。2） 失效的特征宏觀特征：爐管脹粗不大，發生彎曲變形，外壁氧化不明顯。組織性能特征：金相組織根據過熱溫度的不同，常是淬硬組織或鐵素體加淬硬組織，鋼的強度大幅度下降。3.2 腐蝕3.2.1 高溫腐蝕由沉積物中的非硅酸鹽雜質的化學過程所引起的一種爐管金屬損耗。通常發生在過熱器和再熱器的向火側外表面，在水冷壁蒸發高溫段和液態排渣爐的水冷壁煙氣側外壁也會發生

8、高溫腐蝕，表現為高溫硫腐蝕和高溫氯化氫腐蝕。發生腐蝕的根源在于燃燒過程，燃料、燃燒器和爐膛的特征量對發生腐蝕及其發展有著重要的影響。（1） 失效機理以水冷壁的硫腐蝕為例，高溫腐蝕通常發生在水冷壁外表面燃燒口區域，該區域存在還原性氣氛，能使原子狀態的硫單獨存在。常發生在在液態排渣的鍋爐上，燃用含硫量高的煤粉。自由硫原子的產生：FeS2 FeS+S 2H2S + SO2 2H2O +3S Fe+ S FeS形成氧化鐵： 3FeS+5O2 Fe3O4 + SO2（2） 失效特征宏觀特征：腐蝕沿向火側局部浸入，呈鼠啃坑穴狀、麻點或淺溝槽。腐蝕區表面的覆蓋層較厚，分為四層，第一層為積灰，第二層為疏松積灰

9、和氧化鐵的混合物，第三層為Fe2O3紅色層，第四層為有黑色光澤的硬垢Fe3O4，第一、第二層在運行中容易脫落，第四與金屬機體結合較牢固。微觀特征：一般是分層減薄，而整體組織沒有明顯的變化，在腐蝕前沿的金屬表面可能發生晶界腐蝕。經能譜分析可發現在氧化物的基體上分布著富硫的粒狀物，第四層覆蓋物和金屬的交界處富集硫。 3.2.2 低溫腐蝕常出現在空氣預熱器的冷端以及給水溫度低的省煤器表面，一般總是伴隨著發生嚴重的堵灰現象。（1）失效機理煤中硫燃燒后生成的二氧化硫與煙氣中水蒸氣結合形成硫酸蒸汽，凝結在溫度低于煙氣露點溫度的金屬表面上導致發生腐蝕。（2）失效特征受熱面發生大面積潰蝕性腐蝕。腐蝕最嚴重的區

10、域在水蒸汽凝結溫度附近，（低酸濃度腐蝕區）；酸露點以下 1040區域（高酸濃度腐蝕區）。3.2.3 氧腐蝕氧腐蝕為鍋爐管在水溶液中氧去極化的電化學腐蝕。（1）失效機理當除氧器運行不正常，有可能使給水中的溶解氧帶入鍋爐內，鍋爐的水冷壁管通常不發生氧腐蝕，因為氧集中在汽泡中，不易到達金屬表面。鍋爐在基建和停用期間，如沒有采取適當的保護措施，就會發生氧腐蝕。點蝕是通過氧的腐蝕過程的進行逐漸形成腐蝕坑（閉塞電池）而后加速腐蝕的，氧還起極化作用，清除陰極產生的氫，蝕坑的進一步發展可能誘導出疲勞裂紋和應力腐蝕裂紋。運行中，氧腐蝕產物為磁性氧化鐵（Fe3O4），呈黑色，與金屬結合牢固，停爐時，氧腐蝕的產物為

11、磚紅色的氧化鐵（Fe2O3），結構疏松。（2）失效特征宏觀特征：管子內壁發生潰瘍，點狀、坑狀腐蝕坑造成管壁減薄。裂紋萌生于內壁蒸汽側，在腐蝕區沒有過熱現象，基本上沒有結垢。在彎頭內壁的中性面附近易產生腐蝕坑，彎頭的橢圓度大、應力集中，腐蝕坑沿軸向發展，可能誘發腐蝕裂紋。組織性能特征：組織和性能均沒有變化。3.2.4 垢下腐蝕當鍋爐內受熱面管子的內表面附有水垢時，在其下面會發生嚴重的腐蝕，也是最常見的一種腐蝕，通常發生在向火側器壁上，在正常的運行條件下，金屬表面在高溫鍋爐水中形成一層Fe3O4膜，膜是致密的，具有良好的保護性能，受熱面管可以不遭到腐蝕，但是如果鍋爐水的PH值不合適，會使膜遭到破壞

12、，金屬表面暴露在爐水中，受到腐蝕，在一般的運行條件下，鍋爐水PH值保持 9-11 之間，保護膜是穩定的，不會發生腐蝕，但當受熱面管內壁有水垢時，由于垢的傳熱性很差，垢下金屬管壁的溫度升高，滲到垢下面的鍋爐水會發生急劇蒸濃，爐水的高度濃縮，而且不能和爐管中的爐水混合，具有很強的侵蝕性，積垢影響了傳熱，造成管壁的溫度大大高于爐水的溫度。垢下腐蝕可分為酸性腐蝕和堿性腐蝕，這兩種腐蝕常又根據其損傷情況的不同，分別稱為氫損傷和苛性腐蝕。（1）氫損傷氫損傷是一種氫腐蝕，汽水與金屬氧化反應產生的氫氣未被及時排走，就溶入鋼中造成氫損傷。a 失效機理氫腐蝕是一種不可逆的脆性，當氫進入鋼，在溫度的作用下組織內部成

13、分發生變化，致使鋼內部脫碳并造成裂紋，此時使鋼脫氫，也不能使鋼的性能恢復。在高溫（高于 400）下，蒸汽與鋼管中的鐵元素接觸時，會發生如下反應：4H2O+ 3Fe Fe3O4 + 8H水垢下面生成的 H 受到沉積物的阻礙，無法擴散到汽水混合物區，使金屬管壁與水垢之間積聚了大量的氫，此時產生的氫不能馬上被汽水帶走，于是溶于鋼中，氫分子和鋼中的滲碳體發生反應:2H2 + Fe3C 3Fe + CH4氫分子和鋼中的游離碳發生反應：2H2 + C CH4氫原子和鋼中的碳發生反應：4H + C CH4CH4體積大得多，它在晶粒內產生巨大的內應力，同時Fe3C變成Fe后，體積縮小，結構松弛，強度降低，所有

14、的反應均生成CH4，積聚多時，產生很大的內應力而使內部造成微裂紋。在汽水壓力作用下就發生爆破。b 失效特征宏觀特征：缺陷處沒有宏觀塑性變形和管徑脹粗現象，斷口為脆性斷裂平斷口，稱為“窗形開口”。往往發生于向火側，裂紋由內壁萌生，管壁沒有明顯減薄，破壞一般很快。內壁有比較致密的沉積物，與金屬結合的較牢固，垢下腐蝕坑壁有軸向裂紋。組織性能特征：腐蝕前沿裂紋表面附近的金屬發生脫碳和晶間微裂紋，碳化物多數或全部消失，剩下的主要是鐵素體晶粒，假若裂紋不與外界相通，裂紋表面很干凈，腐蝕嚴重時，脫碳和微裂紋的深度接近壁厚。腐蝕裂紋區經能譜分析氫的含量明顯升高。缺陷附近的強度急劇下降，同時塑性降低。（2）堿性

15、腐蝕如果爐水中有游離的NaOH，在垢下會因爐水濃縮而形成高濃度的OH-，發生堿性腐蝕。一般發生在水冷壁高熱輻射的燃燒器標高位置。a 失效機理當爐水 PH 值高（PH12）時，管內壁保護膜被破壞，使金屬很快腐蝕。當氫氧化鈉濃度達到 10ppm-20ppm，加劇腐蝕，鐵和水的反應速度急劇增加。陽極 Fe - 2e Fe2+ 陰極 2H+ + 2e H2陰極反應不是發生在垢下，而是發生在沒有垢的背火側，生成的H2沒有阻攔，很快進入汽水混合物被帶走，所以不發生鋼的脫碳現象，只是在垢下形成一個個腐蝕坑。b 失效特征宏觀特征：塑性失效，鹽垢為多孔沉積物，與金屬結合較弱，垢下腐蝕為坑穴狀，均勻腐蝕，管壁減薄

16、。組織性能特征：腐蝕前沿金屬不發生脫碳，金屬組織和機械性能沒有變化，金屬有損耗，但材質沒有變化。3.2.5晶間腐蝕和應力腐蝕晶間腐蝕和應力腐蝕開裂通常發生在高參數鍋爐用奧氏體鋼。（1） 失效機理高溫過熱器和再熱器工作在容易使奧氏體鋼遭受晶間腐蝕的溫度范圍。管排整體消應力熱處理，使鋼材處于敏化狀態，加大晶間腐蝕敏感性。而鋼管又在高溫、高壓和腐蝕介質中工作，管材會發生變化，隨著運行（或超溫），晶界逐漸有碳化物析出，合金元素從固溶體向碳化物遷移，晶界附近固溶體中合金含量降低，碳化物逐漸聚集長大，在局部形成鏈狀碳化物，造成晶界貧鉻，逐漸形成晶間腐蝕。由于奧氏體不銹鋼管排存在殘余應力、組裝應力等，在特定

17、的腐蝕介質環境下如Cl-，就會誘發和加速應力腐蝕破裂的產生和擴展。（2）失效特征宏觀特征：脆性斷裂，斷口周圍無塑性變形，斷口呈顆粒狀，厚邊緣裂紋，裂紋從蝕坑處萌生，易發生在應力較高的部位如彎頭、焊縫和其它冷加工區。裂紋的取向與應力方向有關。組織特征：晶間腐蝕裂紋是沿著或緊靠金屬晶粒邊界發生腐蝕，應力腐蝕裂紋形貌為樹枝狀分叉，裂縫中不形成堅固的腐蝕產物。3.3疲勞鍋爐管的疲勞有水側腐蝕疲勞、煙氣側腐蝕疲勞和鰭片拉裂。3.3.1.水側腐蝕疲勞在交變應力和腐蝕介質同時作用下，金屬的疲勞強度和疲勞壽命較無腐蝕作用時有所降低，這種現象稱為腐蝕疲勞。常發生在水冷壁和省煤器上。(1) 失效機理鍋爐的受熱面管

18、子的某些部位，由于承受交變應力，在這種熱應力作用下產生低周疲勞，同時管子又在腐蝕介質（即爐水）的長期作用下，與水接觸的金屬表面上的保護膜會被這種交變應力所破壞，特別容易在有缺口（如腐蝕坑）的地方發生電化學不均一性，導致局部腐蝕，優先產生腐蝕裂紋，導致金屬的破裂。(2) 失效特征宏觀特征：斷裂表面有腐蝕痕跡，通常是厚邊緣，外壁有氧化皮，裂紋在爐管水側內壁保護膜的破裂處萌生和長大， 裂紋長大方向與最大主應力方向垂直，裂紋尖端較鈍，通常有多條裂紋。組織性能特征：裂紋除了有一條主裂紋外，同時存在多條分支裂紋，裂紋周圍有腐蝕產物，強度降低。3.3.2 煙氣側腐蝕疲勞煙氣側腐蝕疲勞常發生在水冷壁和過熱器管

19、。(1) 失效機理鍋爐管遭受低周（由啟停引起的熱應力）、中周（由汽膜的反復出現和消失引起的熱應力）和高周（由振動引起的）交變應力，煙氣側腐蝕性介質（如硫、堿、礬、氯等）促進了損壞。(2) 失效特征宏觀特征：在向火側產生裂紋，裂紋沿管圓周發展，局部區域往往有很多相互平的疲勞裂紋，由外壁向內壁發展，裂源處熔鹽和煤灰沉積。組織性能特征：裂紋短而粗，充滿腐蝕產物，走向為穿晶型，裂紋處金屬組織球化。3.4 磨損爐管因灰粒高速沖擊管壁金屬而磨損，磨損最主要的部位是高溫段省煤器的煙氣入口和出口處，過熱器和再熱器入口處的彎頭，出列的管子，燃燒器附近的水冷壁管也易發生磨損。向火面管磨損機理懸掛在鍋爐爐膛和尾部煙

20、道內的受熱面，直接受到含塵煙氣的沖刷，特別是在易形成煙氣走廊的部位和煙氣轉彎處，受熱面管束被沖刷而減薄的趨勢更為明顯。磨損有飛灰磨損和機械磨損，以飛灰磨損為主，磨損與爐型結構、受熱面布置方式、煙氣流速、制造安裝質量、煤灰特性、煙氣含塵濃度等多種因素有關，它主要表現在受熱面結構布置或煙氣通道被積灰阻塞造成局部流通阻力小，管夾燒損、變形后出現管排散亂、出列，會形成煙氣走廊造成局部煙速過大，還有管排錯列布置、設計煙速高或運行中采用過大的過剩空氣量而使煙速過高等。3.5 質量控制失誤（含外力影響）質量控制失誤是指制造、安裝、運行中由于外界失誤等因素所造成的損壞。材質問題在受熱面爆漏中最為常見，一方面是

21、人為因素造成的，如在設計中選材不當，制造、安裝、檢修中工作責任心不強，檢查不嚴，造成錯用材質，或材料管理有漏洞，錯發鋼材等。另一方面是材質本身有缺陷，如在冶煉、軋制、制造、運輸、安裝或檢修過程中，造成機械損傷、有重皮、折疊、裂紋、壁厚不均，以及機械性能和化學成分不合格，或者在使用中設備布置不合適，均會造成向火面管的缺陷或失效。四 實驗材料及方法4.1 實驗材料和設備4.1.1 實驗材料揚子石化烯烴廠某鍋爐水冷壁管，其材質為20G,及標準鍋爐用鋼。對一段管材進行線切割，得到向火面和背火面不同表面狀況試件。4.1.2 實驗設備M-2T金相試樣預磨機、XQ-2金相試樣鑲嵌機、P-1金相試樣拋光機、O

22、LYMPUS金相顯微鏡、HV-10B型小負荷維氏硬度計及洛式硬度計、直讀光譜儀、XRD、拉伸試驗機等。4.2 實驗工藝流程4.2.1 宏觀檢查以肉眼檢查為主，觀察爐管缺陷及完好處的形貌，觀察管子磨損、腐蝕、結垢、管壁減薄情況并進行照相，從中發現異常工況及使用不當的各種痕跡。對爆管進行尺寸測量，使用游標卡尺對缺陷尺寸、管壁厚度、管徑脹粗、裂紋的長度等進行尺寸測量。4.2.2 垢樣化學分析對腐蝕、結垢、結焦較嚴重的管子取樣進行能譜和XRD分析試驗，檢驗腐蝕產物、垢成分、灰成分，確定腐蝕類型等。4.2.3 材料成分分析采用化學方法、光譜分析等手段，鑒定管子的材料成分是否符合要求，必要時做微量有害元素

23、分析或微區電子探針分析。本文的試驗采用直讀光譜儀對材料進行成分分析。4.2.4 金相分析（1） 在缺陷處和管子的完好部位比較進行金相試驗，應重點檢查缺陷邊緣的組織的形態、分布。（2） 觀察組織中是否出現裂紋，分析帶小裂紋的試樣了解細微結構和裂紋的關系，產生微小裂紋的機理。（3） 缺陷邊緣和缺陷金相組織中內是否存在氧化物、夾雜物裂紋，組織中是否有脫碳現象。（4） 觀察向火面外表面、內表面和背火面金相組織中的珠光體是否發生球化現象，對照球化評級圖判斷球化等級，進而分析缺陷原因是否是由于高溫等原因造成。（5） 晶粒度、顯微組織是否正常。（6） 對于蠕變損傷、腐蝕裂紋、應力斷裂、腐蝕疲勞、磨損等類型的

24、失效，采用金相分析方法可直接取得判定缺陷原因的結果。使用金相顯微鏡，按照 DL/T884-2004火力發電廠金相檢驗與評定技術規程及 DL/T551-94 低合金耐熱鋼蠕變孔洞檢驗技術工藝導則進行試驗，對失效管子的微觀組織形貌、微觀缺陷進行檢查。4.2.5 機械性能試驗根據管子爆破的特點進行力學性能試驗，鑒定機械性能指標。室溫拉伸試驗在萬能拉伸試驗機上，按照 GB229-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法進行試驗，采用標準試樣，縱向切取。判定材料的抗拉強度是否符合標準要求。用硬度計對爐管各個部位進行硬度測量，檢驗管子的硬度下降情況，判斷材料的老化狀態。五 實驗結果討論與分析5.1 腐蝕管宏觀形貌

25、觀察與分析鍋爐用水冷壁管材質為20G，規格：外徑63mm，內徑53mm，爐管厚度5mm，為膜式水冷壁結構。圖1為鍋爐水冷管壁向火面，圖2為背火面。對缺陷路管進行檢查，發現缺陷處均位于向火側，外觀為不規則凹凸不平的淺坑，圖3為缺陷切割試樣，可以看出，其外表面凹陷時相應內表面凸出，反之亦然，凹凸不平的變形具有很強的受力后變形的特征。經觀察沒有在缺陷處發現典型的鑿槽型，周圍管徑沒有脹粗，管壁無明顯減薄。在內外壁均未觀察到由于犁削條紋或裂紋、切片等痕跡， 但在爐管向火面外側存在不同程度的腐蝕，腐蝕產物未知。爐管內部沒有發現水垢等物質，可以基本排除堿腐蝕的可能。 圖1 圖2圖35.2 垢樣化學分析爐管內

26、壁垢層與外壁氧化膜的能譜分析結果，如表1所示。表1 內壁垢層和外壁氧化膜能譜分析結果編號能譜分析結果（wt%）內壁垢外層C：0.24，O：8.64，Mg：17.86，P：18.32，Ca：10.79，Ti：0.72；Mn：2.62，Fe：39.78，Zn：1.03中間層C：0.21，O：6.59，Mg：3.53，P：9.94，Ca：10.16，Ti：0.78；Mn：2.13，Fe：64.22，Zn：2.43內層C：0.12，O：4.89，Mg：1.40，Si：0.25，P：2.05，Mn：0.85，Fe：89.11，Zn：1.34外壁氧化膜外層C：0.13，O：4.74，Si：0.41，S：1

27、3.01，Ca：6.26，Mn：0.46，Fe：66.62，Ni：4.55，Cu：3.81中間層C：0.13，O：2.61，Si：0.53，S：18.52，Mn：0.67，Fe：65.83，Ni：2.47，Cu：9.24內層C：0.12，O：4.08，Si：0.62，S：6.87，Mn1.10，Fe：86.54，Ni：0.67 ElementWt%At%CK00.2400.68OK08.6418.33MgK17.8624.94PK18.3220.07CaK10.7909.14TiK00.7200.51MnK02.6201.62FeK39.7824.18ZnK01.0300.54管內壁垢層能譜分

28、析結果(外層) ElementWt%At%ElementWt%At%CK00.2100.73CK00.1200.46OK06.5917.23OK04.8914.70MgK03.5306.08MgK01.4002.76PK09.9413.42SiK00.2500.43CaK10.1610.60PK02.0503.18TiK00.7800.68MnK00.8500.75MnK02.1301.62FeK89.1176.73FeK64.2248.08ZnK01.3400.98ZnK02.4301.55內壁垢層能譜分析結果(中間層) 管內壁垢層能譜分析結果(內層) ElementWt%At%Elemen

29、tWt%At%CK00.1300.48CK00.1300.50OK04.7413.34OK02.6107.58SiK00.4100.66SiK00.5300.88SK13.0118.26SK18.5226.88CaK06.2607.03MnK00.6700.56MnK00.4600.38FeK65.8354.86FeK66.6253.68NiK02.4701.96NiK04.5503.48CuK09.2406.77CuK03.8102.70管外壁氧化膜能譜分析(外層) 管外壁氧化膜能譜分析(中間層) ElementWt%At%CK00.1200.48OK04.0812.26SiK00.6201

30、.06SK06.8710.29MnK01.1000.96FeK86.5474.40NiK00.6700.55外壁氧化膜能譜分析(內層)在爐管內壁表面刮取垢層、向火面一側外表面刮取氧化皮進行XRD分析，結果如表2所示。表2 內壁垢層和外壁氧化膜XRD分析結果編號XRD分析結果（wt%）內壁表面垢層Fe3O4、Fe2O3、Mg（PO4）2、CaCO3、MgCO3外壁表面氧化膜(向火面)Fe3O4、Fe2O3、CaSO4、CuO、CaCO3管內壁垢層XRD分析結果管外壁氧化膜XRD分析結果因此，由能譜和XRD分析可知：（1) 構成向火面外側的氧化膜主要元素為Fe、O、S，兼有少量Ca，氧化膜主要的化

31、學組成為Fe3O4、Fe2O3、CaSO3，其腐蝕產物組成顯示出高溫腐蝕特征，但由于此氧化膜廣泛附著在向火面外側，而坑狀缺陷只出現在局部，故不能證明其產生是由于高溫腐蝕造成的，但可以證明向火面外側的氧化膜與高溫腐蝕有關。( 2) 鍋爐水冷壁管內壁表面垢層的成分主要為Fe3O4、Fe2O3、Mg（PO4）2、CaCO3、MgCO3，未發現大量的Na元素存在，達不到堿腐蝕條件（Na + /PO4 3大于標準值：2. 5 2. 8 ）。5.3 材料成分分析為驗證此水冷壁管材料所用20G是否滿足國家標準，取水冷壁管上一段，將其內外兩側磨出一厘米左右的平面，利用直讀光譜儀對水冷壁管進行成分分析，見表3：

32、表 3 水冷壁管材料部分化學成分與國家標準( 質量分數) %項目CSiMnSPCrNiCuGB5310標準0.17-0.230.17-0.370.35-0.650.0350.0350.250.250.25測量值0.2140.2210.5180.01370.01210.02530.03380.0123由表3可以看出，揚子石化烯烴廠的某鍋爐水冷壁管所用材料20G合國家標準要求。5.4 金相分析為進一步明確水冷壁管表面缺陷形成的原因，在水冷壁管上取樣進行微觀金相分析。為確保實驗的合理性，分別觀察爐管完好處向火面外表面金相、完好處向火面內表面金相、缺陷處向火面外表面金相、缺陷處內表面金相、背火面內、外

33、表面金相等六處組織形貌。5.4.1 背火面金相組織形貌 圖4 完好處 200倍 圖5 缺陷處 200倍 圖6 完好處 500倍 圖7 缺陷處 500倍如上述六圖所示，背火面金相組織為鐵素體（F）和珠光體（P）區域形態，球化等級1級，未見晶粒異常長大，且完好處和缺陷處相對應的背火面金相組織形貌基本相同。5.4.2 完好處向火面表面組織 圖8 向火面外側 100倍 圖9 向火面內側 100倍 圖10 向火面外側 200倍 圖11 向火面內側 200倍 圖12 向火面外側 500倍 圖13 向火面內側 500倍由上述六圖可以看出在爐管完好處的向火面內外表面金相組織形貌同樣相差不大，珠光體球化大約為2

34、級，未見晶粒異常長大。5.4.3 缺陷處向火面表面組織 圖14 向火面外側 100倍 圖15 向火面內側 100倍 圖16 向火面外側 200倍 圖17 向火面內側 200倍 圖18 向火面外側 500倍 圖19 向火面內側 500倍由上述六圖可以看出在爐管缺陷處向火面內外表面金相組織形貌同完好處基本相同。通過觀察水冷壁管六處不同部位的金相組織形貌，可以清楚的看到其組織為鐵素體和珠光體，沒有發生碳化物在晶界聚集長大的現象，且珠光體的球化等級沒有超過3級，未發生嚴重球化，在晶界上沒有蠕變孔洞，基本可以排除高溫蠕變造成缺陷的設想，但仍不能完全排除短時過熱的影響，需要進行力學實驗驗證；缺陷表面附近的金屬沒有發生脫碳和晶間微裂紋，碳化物相對完整，為鐵素體和珠光體共同組成區域，故可以排除氫損傷和應力腐蝕；爐管內表面和外表面的金相組織都沒有裂紋產生更沒有穿晶裂紋，故基本可以排除缺陷是由于金屬熱疲勞產生的設想；5.5機械性能試驗為了進一步確定爐管表面缺陷的形成原因，對其進行力學性能測試。判定材料的抗拉強度等是否符合標準要求。用硬度計對爐管各個部位進行硬度測量，檢驗管