2520不锈钢管开裂原因分析与研究

 浙江至德钢业有限公司通过宏观、金相、扫描电镜和化学分析技术对2520不锈钢管膨胀接头开裂缺陷进行分析。结果表明：膨胀接头管壁存在严重减薄、高温氧化、逐层剥落及蠕变孔洞等现象。一方面是工作热质对管内壁的冲蚀，使管壁减薄到一定程度而不能承受出风管的系统应力而开裂曰另一方面是2520钢在高温环境中长期使用会析出对晶间腐蚀敏感的滓相和晶间碳化物，易造成晶间脆性断裂。此外，高温下管壁内部位错攀移形成蠕变孔洞，蠕变孔洞长大并连接成蠕变裂纹曰蠕变孔洞和蠕变裂纹降低了膨胀接头强度，提升了工作热质对管壁的冲蚀速度。

 2520不锈钢管即0Cr25Ni20不锈钢管，属于奥氏体铬镍不锈钢管系，因铬、镍含量较高而具有较好高温蠕变强度，在高温下能持续作业，具有很好抗氧化性、耐腐蚀性和耐高温性[1]。该不锈钢管适用于排气管道、热处理炉、热交换机和焚化炉等要求耐热性的高热或高温接触部件。但是，这些高温部件在高温下长期运行不可避免地面临高温氧化和高温蠕变断裂等问题。至德钢业对该方面进行了研究。

一、理化检验

 某厂送检热风炉出风管膨胀接头开裂样品1件，其材质为2520不锈钢管，工作温度800～1100℃，工作压力0.5kg。为确定样品开裂产生的可能原因，通过宏观、金相、扫描电镜及化学成分分析等手段对样品进行分析。

 1. 宏观形貌检验

 据称膨胀接头工作时的外观发红，正对热风炉(炉内工作热质为焦炉煤气)出热风部位的膨胀接头厚度从3mm严重减薄至0.3mm左右而发生开裂。送检开裂碎片的形貌见图，图还表明了取样位置及取样编号。减薄区域有明显的塌陷形貌，图显示了样品内壁塌陷区形貌。图为开裂样品边部在体视显微镜下的放大形貌。图显示样品塌陷区截面的野栅栏状冶断口形貌，图显示样品上未塌陷区域截面的野冰糖状冶断口形貌。观察发现，无论是塌陷区还是未塌陷区的管壁，其厚度均有较大程度减薄。

 2. SEM断口检验

 从送检样品上分别按照前述位置手工锯取试样D、F，将D、F试样的断口部位分别置于JSM5600LV型扫描电镜下观察。D试样截面显示野栅栏状冶断口形貌。栅栏均垂直于管壁方向，是管壁受到气流冲蚀的结果。F试样截面显示蠕变产生的野冰糖状冶断口形貌，亦显示出高温作用下，试样外壁受到拉应力而产生的沿晶裂纹，裂纹尖端两边的晶粒出现了45毅方向的滑移线。图分别显示F试样断口位置和塌陷区位置管内壁的凹凸不平的放大形貌，凹下去的区域为冲刷掉氧化壳层露出的管壁基体，凸起来的区域为没有冲刷掉的氧化壳层。锰和镍已消耗殆尽，铬也有大部分损失，表的能谱分析结果证明了这一结论。

 3. 金相分析

 将E和G试样垂直于断口的面均制备成金相试样，试样的抛光态形貌见图，无论是未塌陷区还是塌陷区均显示侧壁上有氧化质点，且基体内部有大量蠕变孔洞，图显示与D试样类似的野栅栏状冶断口截面，这进一步说明野栅栏冶断口的形成与冲蚀剥落有关。抛光态试样用盐酸高氯化铁水溶液腐蚀后，于MeF3显微镜下观察，发现试样的基体组织为奥氏体+微量碳化物，奥氏体晶粒度级别为1.5级。蠕变孔洞呈沿晶分布。

 4. 化学分析

 用直读光谱测定送检2520不锈钢管试样的化学成分，并将测定结果和GB/T20878-2007中的06Cr25Ni20不锈钢管的化学成分值同时录于表。由于膨胀接头使用条件恶劣，送检样品严重氧化减薄，由表可看出：送检试样的化学成分基本满足国标规定值。

二、分析与讨论

  膨胀接头的材质为2520不锈钢管，该在800～1100℃内会生成保护性的氧化膜，如FeO、Cr2O3、Fe2O3和尖晶石结构的FeCr2O4、NiCr2O4等。但是，由于管道内高速气流的冲蚀，氧化膜易脱落。