李元军,王 鲁,黄继波,张 英,王卫泽

(华东理工大学机械与动力工程学院,承压系统与安全教育部重点实验室,上海 200237)

摘 要:某连续退火炉辐射管在服役过程中开裂,通过断口宏观与微观形貌观察、化学成分分 析、力学性能测试与受力分析等方法分析了辐射管开裂的原因。结果表明:高温蠕变和高温氧化腐 蚀的共同作用导致连续退火炉辐射管的失效。在低应力和高温作用下,因晶界滑动形成的孔洞长 大并连接而形成裂纹,同时氧化膜破裂形成的孔隙加速了裂纹的合并及生长,在蠕变应力作用下裂 纹加速扩展并最终导致辐射管失效;在高温环境中长期服役后,辐射管内壁因氧化腐蚀而减薄严 重,辐射管的强度明显低于标准值,承载能力降低,从而在高温集中区的应力集中处萌生裂纹,并导 致辐射管的开裂。

关键词:辐射管;开裂失效;高温氧化;蠕变应力 中图分类号:TG142 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2021)01-0113-06

0 引 言

连续退火炉是目前带钢冷轧后处理工序中广泛 采用的重要设备之一,其工作状态的好坏决定了带 钢退火质量和通板效率[1-2]。辐射管是连续退火炉 内重要的部件,燃烧火焰在管道内以辐射的形式对 管壁和炉内退火板带进行加热。在工作过程中,长 时处于高温环境中的辐射管会因局部长时高温灼烧 和氧化及热应力而发生破坏[3]。 某厂用于连续退火炉加热的 W 型辐射管在服役 8a(设计寿命为10a)后,因在距喷嘴1.34m 处管壁 发生了贯穿型周向开裂而失效,开裂位置如图1所 示。服役过程中该辐射管内介质为混合煤气,内表面 温度高于1000℃,辐射管材料为 HP40钢,热处理态 为调质态。为找出该辐射管开裂的原因,作者对其进 113 李元军,等:某连续退火炉辐射管开裂原因 图1 连续退火炉辐射管开裂位置示意 Fig.1 Schematicofcrackingpositionofradiantpipein continuousannealingfurnace 行了失效分析,并提出相应的预防措施。 1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

由图2可以看出,辐射管开裂处的横截面管段变 图2 失效辐射管断口宏观形貌 Fig 2 Fracturemacromorphologyoffailedradianttube a overallmorphologyand b partialenlargement 形严重,裂纹贯穿壁厚方向且断口表面发生氧化;开 裂处辐射管壁减薄明显,且出现二次裂纹。辐射管 断口截面轮廓形状如图3所示,可见管截面不再保 持为圆形。由图4可以看出,失效辐射管开裂处内 表面存在一层疏松垢层,且辐射管壁出现明显不均 匀的减薄现象。测量得到该辐射管生产加工时的厚 度为8.5~8.7mm,而失效辐射管较薄处壁厚仅约 为6mm,较厚处壁厚约为8mm。 图3 失效辐射管断口截面轮廓 Fig.3 Cross-sectionprofileoffractureoffailed radianttube 图4 失效辐射管开裂处内壁的宏观形貌 Fig.4 Macromorphologyofinnerwallofcrackingareaof failedradianttube

1.2 化学成分与物相组成

根据 GB/T11170-2008 和 GB/T223.23- 2008,采用SpectroMAXX 型金属光谱分析仪分析 辐射管的化学成分,结果如表1所示。由表1可知, 失效辐射管的化学成分符合 ASTMJ95705标准中 HP40钢的成分要求。 表1 失效辐射管的化学成分 质量分数 Table1 Chemicalcompositionoffailedradianttube massfraction % 项目 C Si Mn P S Cr Ni Mo 标准值 0.3~0.45 ≤2.00 ≤1.25 ≤0.03 ≤0.03 24.0~27.0 34.0~37.0 ≤0.50 实测值 0.35 0.33 0.28 0.014 0.011 25.30 35.94 采 用 D/max2550VB/PC 型 X 射 线 衍 射 仪 (XRD)对辐射管内壁垢层的物相进行分析。结果 如图5所示。由图5可知,失效辐射管内壁垢层主 要含 NiO、Fe3O4 及 Cr2O3 等氧化物。煤气在辐射 管内燃烧而使辐射管内壁长期处于高温环境,内壁 表面产生大量的氧化产物。 114 李元军,等:某连续退火炉辐射管开裂原因 图5 失效辐射管内壁垢层的 XRD谱 Fig.5 XRDpatternofscalecrustoninnerwallof failedradiationtube

1.3 力学性能

采用 HXD-1000TMC/LCD型显微维氏硬度计测 失效辐射管壁断口附近截面近管外侧和内侧的硬度, 载荷为1.96N,保载时间为15s,测试间隔为50μm。 由表2可知,失效辐射管的硬度符合 ASMESA213 标准中 HP40钢硬度应小于200HV的要求。 表2 失效辐射管的硬度测试结果 Table2 Hardnesstestresultsoffailed radiationtube HV 位置 测试值 平均值 管外侧 186.8,183.9,168.8,164.6, 165.8,167.6,184.6,191.9 178.86 管内侧 199.6,179.8,173.2,167.6, 175.2,180.2,187.8,179.3 184.74 在失效辐射管壁中部沿轴向截取如图6所示的 拉伸试样,标距段直径为5mm,长度为25mm,根 据 GB/T228.1-2010,用INSTRON-8801型电液 伺服拉伸 试 验 机 进 行 室 温 拉 伸 试 验,拉 伸 速 度 为 1mm·min -1。由表3 可以看出:失效辐射管的抗 拉强度、屈服强度和断后伸长率均明显低于 HP40 钢的标准要求,说明在高温环境中长期服役后辐射 管性能劣化严重。 图6 拉伸试样的尺寸 Fig.6 Sizeoftensilespecimen 表3 失效辐射管的拉伸性能 Table3 Tensilepropertiesoffailedradiationtube 项目 抗拉强度/ MPa 屈服强度/ MPa 断后伸长率/ % ASTMSA213标准值 ≥440 ≥235 ≥5 测试值 386.7 213.26 3.88

1.4 断口微观形貌

在失效辐射管断口截面处(如图1中方框位置 所示)截取金相试样,用丙酮溶液超声波清洗,并用 醋酸纤维纸去除试样表面的杂质后,在 EVO MA15 型扫描电子显微镜(SEM)上观察试样的断口微观 形貌。由图7可看出:断口上存在2条大裂纹,分别 由内壁和外壁向中部扩展,同时断口附着块状、颗粒 状 物 质。 用 Aztec X-MAX50 型 X 射 线 能 谱 仪 (EDS)对断口进行微区成分分析,结果如表4所示。 由表4可知,断口表面裂纹尖端处(位置3和位置 4)的元素含量与断口表面其他区域(位置1和位置 2)的无明显差别,氧含量均较高,表明断口表面生成 了铬、铁、氮的氧化物。 图7 失效辐射管的断口微观形貌 Fig.7 Fracturemicromorphologyoffailedradiationtube 表4 失效辐射管断口不同位置 如图7所示 的 EDS分析 结果 质量分数 Table4 EDSanalysisresultsofdifferentpositions shownin Fig 7 onfractureoffailedradiationtube mass fraction % 分析位置 Cr Fe Ni O 1 28.85 30.43 27.51 13.20 2 26.60 34.19 27.24 11.98 3 23.94 32.35 28.56 15.15 4 28.76 29.83 26.87 14.55 采用 EVO MA15型扫描电子显微镜(SEM)对 失效辐射管壁厚中心微观形貌进行观察。由图8可 知:失效辐射管壁厚中心处的晶界上存在小孔洞,这 是材料组织劣化的特征[4-6]。 采用 EVO MA15型扫描电子显微镜(SEM)对 失效辐射管的裂纹扩展形貌进行观察。由图9可以 看出:2条裂纹分别由外壁和内壁向壁厚中心延伸, 外壁侧大裂纹附近有1条小裂纹。内壁侧裂纹长度 明显大于外壁侧的,且内壁氧化腐蚀明显,裂纹在氧 化腐蚀处萌生。由图10可知:失效辐射管组织为铸 造 态奥氏体不锈钢组织,由奥氏体和共晶碳化物组 115 李元军,等:某连续退火炉辐射管开裂原因 图10 失效辐射管中裂纹附近的微观形貌 Fig 10 Micromorphologynearcracksinfailedradiationtube a cracksonouterwallside b amplificationofAzone c cracksoninnerwallsideand d amplificationofBzone 图8 失效辐射管壁厚中心的微观形貌 Fig 8 Micromorpholgy of center of wallthickness of failed radiationtubewall a atlow magnificationand b at highmagnification 成[7] ;靠近辐射管内壁有碳化物沿晶界析出,内壁侧 发生严重的沿晶氧化,碳化物及部分奥氏体氧化成 的黑灰色产物呈网状分布在晶界附近;辐射管内壁 侧裂纹附近存在大量沿晶孔洞,外壁侧孔洞较少;裂 纹尖端有二次裂纹产生。 采用 AztecX-MAX50型 X 射线能谱仪对失效 图9 失效辐射管裂纹扩展形貌 Fig.9 Crackgrowthmorphologyoffailedradiationtube 辐射管内壁和外壁共晶碳化物和奥氏体基体进行成 分分析。由表5可知:内壁侧奥氏体基体的化学成 分与外壁侧的相近,表明奥氏体组织的成分在管壁 厚度方向上分布均匀;内壁侧共晶碳化物中金属元 素 的质量分数相比外壁侧的明显下降,镍和铁的含 表5 失效辐射管内壁侧和外壁侧不同物相的 EDS分析 结果 质量分数 Table5 EDSanalysisresultsofdifferentphasesnearthe innerandouterwalloffailedradiationtube mass fraction % 位置 物相 C O Cr Fe Ni 奥氏体基体 5.51 0.35 12.98 43.58 37.58 内壁侧 碳化物 10.79 30.30 57.20 1.40 0.30 奥氏体基体 4.88 0.89 12.67 43.20 38.46 外壁侧 碳化物 10.16 0.93 62.49 10.86 15.56 116 李元军,等:某连续退火炉辐射管开裂原因 量较少,碳、铬富集,这表明晶界处生成了碳铬化合 物,这是因为离心铸造 HP40合金钢中碳是过饱和 状态,一旦过热碳就会从基体中析出与铬结合生成 碳化物并在晶界析出;内壁侧共晶碳化物中氧元素 富集,说明内壁氧化严重,生成铁、镍等氧化物。

1.5 受力分析

该厂连续退火炉 W 型辐射管在工作时主要受 到自身重力作用,如图11(a)所示,图中虚线表示 变形后的形状。根据弯曲变形中应力平衡方程和 弯矩平衡方 程,得 到 管 段 长 度 方 向 应 力 的 函 数 表 达式: σ(x)= M(x) W (1) M(x)=- q 2 x 2 + 13ql 16 x5ql 2 16 (2) 式中:W 为抗弯截面系数;q 为辐射管自重均布载 荷;l 为 管 体 有 效 长 度;σ 为 弯 曲 正 应 力;M 为 弯 矩;x 为由 辐 射 管 固 支 位 置 沿 热 传 递 方 向 的 长 度 变量。 当管截面尺寸不变时,抗弯截面系数为定值。 该管段的拉伸应力与弯矩成正比,根据式(2)可作出 该段辐射管的弯矩分布,如图11(b)所示。由图11 可知,辐射管的危险点在 A 处,此处上方管壁的拉 伸应力最大。研究[3]表明,辐射管内的高温区集中 在燃烧气体入口前端,即图11所示的 CD 段。因 此,A 处附近的管壁温度较低而不易产生破坏。管 段13l/16处拉伸应力较大并且该处的温度较高,因 此很可能在此处发生破坏。 图11 失效辐射管段的受力和弯矩示意 Fig 11 Force a andbendingmomentdiagram b of thefailedradiationpipesection 辐射管管段有效长度l为1.67m,开裂处距喷 嘴距离约为1.34 m。根据受力分析计算可得理论 破裂处,即管段13l/16处为距喷嘴1.36m 处,这与 实际开裂位置接近。

2 开裂原因分析

由上述理化检验结果可知:失效辐射管的化学 成分符合标准要求;外壁侧和壁厚中心显微组织正 常,为奥氏体和共晶碳化物,但内壁侧氧化严重。内 壁侧共晶碳化物中金属元素的质量分数相比外壁侧 的明显下降,这表明表明晶界处生成了碳铬化合物。 在服役过程中碳化物的析出导致晶界粗化、材料变 脆及强度下降,晶界产生滑动而形成孔洞;这些孔洞 长大连接 便 形 成 裂 纹,裂 纹 在 蠕 变 作 用 下 沿 晶 扩 展[7-9]。一般氧化初期在金属表面形成的氧化膜较 薄,易发生塑性变形,且与金属基体结合较牢,氧化 膜对基体具有保护性;随着氧化时间的延长,氧化膜 不断增厚,塑性变形变得相当困难,此时氧化膜仍要 与金属保持牢固的结合,其内部必然发生较大的应 力;当应力超过氧化膜的强度后,孔隙和孔洞便在氧 化膜中形成,从 而 加 速 了 裂 纹 合 并 及 生 长[10]。此 外,高温环境下辐射管发生严重的蠕变变形,在变形 过程中辐射管中产生较大的应力,在应力作用下裂 纹加速扩展并最终导致辐射管失效。 该辐射管长期处于高温静载环境中,其抗拉强 度和屈服强度均明显降低。根据受力分析计算得到 的理论破裂处与实际开裂位置相近;同时该处位于 高温区,高温氧化腐蚀使得该处管壁严重减薄,承载 能力大幅降低,材料组织退化,管壁在应力作用下于 应力集中处发生开裂。

3 结论及建议

(1)高温蠕变和高温氧化腐蚀的共同作用导致 连续退火炉辐射管的失效。在低应力和高温作用 下,因晶界滑动形成的孔洞长大并连接而形成裂纹, 同时氧化膜破裂形成的孔隙加速了裂纹的合并及生 长,在蠕变应力作用下裂纹加速扩展并最终导致辐 射管失效;在高温环境中长期服役后,辐射管内壁因 氧化腐蚀而减薄严重,辐射管的强度明显低于标准 值,承载能力降低,从而在高温集中区的应力集中处 萌生裂纹,并导致辐射管的开裂。 (2)建议选用抗氧化、抗高温蠕变能力更强的 含铌耐热钢;在喷嘴处管段上方添加悬吊装置或支 撑组件,以降低辐射炉管的变曲程度。

来源：材料与测试网