工業(yè)采暖鍋爐中水煤漿噴嘴的失效分析朱柳娟,丁毅,顧伯勤(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,江蘇南京21000摘要:采用X射線能譜儀(EDS)、金相顯微鏡、掃描電鏡(SEM)等設(shè)備對失效的水煤漿噴嘴的化學(xué)成分、徽觀組織及斷口形貌進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,噴嘴材料中N含量偏低及高溫滲硫所引起的S含量超標(biāo)是導(dǎo)致噴嘴開裂的主要原因。同時提出了采用含鈦鉻鎳奧氏體不銹鋼及表面滲鋁等相應(yīng)改進(jìn)措施以防止噴嘴失效。關(guān)鍵詞:水煤漿;噴嘴;失效分析;工業(yè)釆暖鍋爐中圖分類號:TG1627;TG157文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:025446051(2006)040076-4Failure Analysis of Coal Water Mixture Nozzle in Industrial Heating boilerZHU Liu-juan, DING Yi, GU Bo-qinCollege of Mechanical and Power Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing Jiangsu 210009, China)Abstract: The chemical composition, microstructure and fractography of coal water mixture nozzle material were analyzedby X-ray energy dispersive spectroscopy(EDS), optical microscope and scanning electronic microscope(SEM)respec-tively. The results show that the main reasons for the nozzle failure are the lower Ni content and the excessive s contercaused from sulfurizing under high temperature. To prevent the nozzle failure, improved measures such as using Craustenitic stainless steel containing Ti and with aluminizing are put forward.Key words: coal water mixture( CWM); nozzle; failure analysis; industrial heating boiler水煤漿是由60%~70%的煤粉與40%~30%的料。北京燕山石化民用能源熱力分公司對星城供水及少量添加劑混合而成的煤基漿狀新型潔凈燃熱站QXS141.25/13070-Y型燃重油熱水鍋爐2進(jìn)作者簡介:朱柳娟(1980.05-),女,上海人,博士生,主要從事行了燃用水煤漿改造,通過一個供暖季節(jié)的試運(yùn)行和材料熱處理及失效分析的研究。聯(lián)系電話:02583587310一個供暖季節(jié)的完善改進(jìn),取得了令人滿意的結(jié)果。E-mail:zhulj521@163.com但由于水煤漿不同于一般的液體燃料,其濃度高、粘度收稿日期:2005-11-20大,霧化困難,而且煤粉屮還含有黃鐵礦、石英等許多以進(jìn)入,即在a~狀態(tài),折疊裂縫均會產(chǎn)生高溫氧化3結(jié)論脫碳。另外,如果終鍛溫度過低,在進(jìn)行較大變形比的鍛造時,也極易產(chǎn)生鍛造裂紋,如果鍛坯上出現(xiàn)了該零件精加工過程中發(fā)現(xiàn)的裂紋產(chǎn)生于鍛造過鍛造折疊或其他缺陷,那么在此情況下就更容易出現(xiàn)程,原因?yàn)榻K鍛溫度過低,或者鍛造開始時表面產(chǎn)生鍛鍛造裂紋了。在b狀態(tài)鍛造過程中形成鍛造裂紋時造折疊以及鍛坯原始表面存在其他缺陷,鍛造裂紋一也會有一定寬度的開放型裂紋,也會產(chǎn)生高溫氧化旦形成,它就會在最終熱處理過程中進(jìn)一步擴(kuò)展,最后但不論是在a狀態(tài)產(chǎn)生了鍛造折疊,還是在b狀態(tài)產(chǎn)在精加工過程中被發(fā)現(xiàn)。生了鍛造裂紋,它們在隨后進(jìn)行的鍛造拔長和精鍛成4建議型過程都會使折疊裂紋或鍛造裂紋產(chǎn)生封閉或部分封原材料入廠復(fù)驗(yàn)時增加外觀質(zhì)量檢驗(yàn)和宏觀低倍閉并沿軸向伸長或擴(kuò)展,即圖3中反映出來的裂紋邊檢驗(yàn),盡量避免使用有缺陷的坯料鍛造零件,減小報(bào)廢緣脫碳層錯位和不連續(xù)現(xiàn)象。錯位是由于裂紋兩側(cè)部率。嚴(yán)格控制鍛造溫度,終鍛溫度不允許低于規(guī)范要分在鍛造時存在微小變形差異所致;在最終熱處理淬求溫度。零件鍛造成型后,應(yīng)增加探傷工序確保合格火時,伴隨著強(qiáng)大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力的聯(lián)合作用,幾后再進(jìn)行下道工序。乎處于封閉狀態(tài)的鍛造折疊或鍛造裂紋將發(fā)生開裂,參考文獻(xiàn):或者顯現(xiàn)出拔長的鍛造裂紋形貌(圖3),或者進(jìn)一步1吳培遠(yuǎn),揚(yáng)武鳴,周振生等輔機(jī)零件失效及缺陷分析擴(kuò)展形成淬火裂紋(圖4)。精加工后,隨著零件表面M].北京:科學(xué)出版社,1988質(zhì)量的提高,以及裂紋由于淬火后寬度有所加重,所以2]機(jī)械工業(yè)理化檢驗(yàn)人員培訓(xùn)和資格檢驗(yàn)委員會金相檢在此環(huán)節(jié)很容易發(fā)現(xiàn)裂紋。驗(yàn)[M].上海:上海科學(xué)普及出版社,2003金屬熱處理》2006年第31卷第4期高硬度(>2500Hv)雜質(zhì)。在高溫運(yùn)行過程中含有固算嵌件槽擊坎體煤粉粒子的水煤漿流體連續(xù)沖擊噴嘴表面,產(chǎn)生顆粒沖蝕磨損,使噴嘴表面發(fā)生破壞3。本文以QXS141.25/130/70-Y型燃水煤漿工業(yè)采暖鍋爐中已失效的煤漿+髯化氣噴嘴為研究對象,對其進(jìn)行失效分析,并提H相應(yīng)的改進(jìn)措施,提高噴嘴的使用壽命。水煤漿噴嘴的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境水煤漿通過噴嘴將其霧化成液滴后才能燃燒,因此,噴嘴是水煤漿燃燒器中的關(guān)鍵部件之一,其結(jié)構(gòu)圖1水煤漿噴嘴頭部結(jié)構(gòu)示蕙圖的合理性決定了水煤漿的霧化效果。燃燒裝置采用Fig 1 Schematic diagram of coal water mixture nozzle head旋流式水煤漿燃燒器,配壓縮空氣霧化噴槍。水煤漿可達(dá)1300℃)。噴嘴內(nèi)部存在溫度梯度,而且在水煤燃料由供漿泵向噴槍輸送,再由壓縮空氣霧化噴出。漿的連續(xù)沖擊下溫度會發(fā)生變化。由于長期在高溫下氣體霧化撞擊式水煤漿噴槍是利用壓縮空氣多級撞工作,當(dāng)水煤漿燃燒不穩(wěn)定時,會引起爐膛內(nèi)溫度分布擊水煤漿,使壓縮空氣與水煤漿充分混合、細(xì)化噴射不均勻或噴嘴處結(jié)焦,使噴嘴因溫差產(chǎn)生熱應(yīng)力局部而出。在水煤漿表面形成的初次霧化漿滴,在高溫氣產(chǎn)生變形。另外長期在高溫條件以及周圍腐蝕性氣氛流的沖擊下進(jìn)一步霧化成更細(xì)小的漿滴,并逐級霧化下工作,對噴嘴材料的組織、力學(xué)性能和化學(xué)性能也產(chǎn)使?jié){滴滿足要求。當(dāng)水煤漿在噴嘴內(nèi)與壓縮空氣形生不同程度的影響。成襲汽進(jìn)行能量交換并被加速時,媒漿中的固體媒粒2噴嘴的開裂失效分析子尤其是煤中的雜質(zhì)粒子和噴嘴孔內(nèi)壁發(fā)生劇烈摩擦導(dǎo)致內(nèi)壁發(fā)生磨損其磨損過程是一種顆粒沖蝕21成分分析磨損。為了延長噴嘴的使用壽命,噴孔必須具有一定水煤漿噴嘴是由1Cr8Ni9奧氏體不銹鋼制成。的抗磨損能力故在噴嘴頭部出口孔處設(shè)置了YG8硬在失效噴嘴斷口附近取樣,利用x射線能譜儀進(jìn)行分質(zhì)合金鑣嵌件。在混合室出口的正前方加一撞擊塊,析,其化學(xué)成分見表1。由表1可見失效噴嘴材料中使氣-漿受正面撞擊后向四周飛濺,然后從頭部噴孔的碗超標(biāo)鎳含量偏低。硫含量超標(biāo)主要是由于噴嘴噴出,這樣可在增加氣耗率的條件下利用氣-漿的材料存在冶金質(zhì)量問題,本身含硫量偏高;另外由于噴動能對水煤漿進(jìn)行再次霧化。圖1為水煤漿噴嘴頭嘴長期在高溫含硫氣氛條件下工作,導(dǎo)致硫不斷滲入部的結(jié)構(gòu)示意圖。噴嘴材料中(即所謂滲硫)。水煤漿噴嘴材料中的鎳噴嘴工作環(huán)境具有特殊性,如溫度較髙(最高溫度含量偏低系原材料本身鎳含量偏低,降低了噴嘴的耐表1噴嘴材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical compositions of nozzle material (wt%)Ni1Cr18N鋼≤0.15≤2.00≤0.035≤0.0308.00~10.0017.00-19.000Crl8N鋼0.07≤1.00≤2.00≤0.0308.00-11.00l7,00-19失效噴嘴痕量痕量73.14腐蝕性能。另外,由于能譜成分分析方法對輕元素碳物大多分布在晶界上,它們會削弱晶界的高溫結(jié)合強(qiáng)的分析誤差較大,故未對碳成分進(jìn)行測量。度,增加噴嘴材料的熱脆性,在熱應(yīng)力和工作應(yīng)力的作2.2斷口分析用下易發(fā)生脆性斷裂,形成沿晶斷口。對于1Gr18N圖2為噴嘴斷口形貌。由圖2可見,斷口表面裂奧氏體不銹鋼,經(jīng)600~800℃敏化處理或相應(yīng)溫度長紋是沿著晶界發(fā)展的,并引發(fā)了大量同樣沿晶擴(kuò)展的期保溫后就會發(fā)生晶間腐蝕。而對于長期高溫服役二次裂紋,屬于沿晶開裂斷口,整個斷口具有脆性斷口的奧氏體不銹鋼噴嘴來說,鉻的碳化物(如Crz2C6等)特征。從噴嘴高溫工作條件看,不能排除由于碳化物會在晶界上析出,碳化物的形成引起晶界附近鉻元素在晶界大量析出引起奧氏體不銹鋼晶間腐蝕,并導(dǎo)致含量急劇下降,在晶界附近形成貧鉻區(qū),從而降低晶界其發(fā)生沿晶開裂的可能性。所以噴嘴中硫含量過高時的耐腐蝕性能,產(chǎn)生晶間腐蝕,這也可能是導(dǎo)致噴嘴發(fā)導(dǎo)致髙溫滲硫,而高溫滲硫所生成的低熔點(diǎn)共晶硫化生沿晶開裂重要原因之《金屬熱處理》2006年第31卷第4期到大量硫化物和碳化物顆粒的存在,且分布比較密集隨著裂紋的擴(kuò)展,硫化物和碳化物顆粒數(shù)量逐漸減少,在裂紋末端,硫化物和碳化物顆粒數(shù)量已非常稀疏。因此,可通過裂紋兩側(cè)的硫化物和碳化物的分布判斷裂紋的走向?yàn)橛杀砻嫦騼?nèi)擴(kuò)展。圖4為噴嘴表面顯微組織。由圖4可見,從噴嘴材料表面及內(nèi)部中心的顯微組織來看,噴嘴表面有層薄膜,可認(rèn)為它主要是由噴嘴表面腐蝕產(chǎn)物和運(yùn)行圖2噴嘴斷口表面SEM照片過程屮粘附在噴嘴上的結(jié)焦物的混合物。在不銹鋼水Fig 2 SEM of fracture surface of the nozzle煤漿噴嘴材料晶粒的內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有孿晶存在,由于孿晶2.3金相分析面主要是由層錯組成,孿晶面的層錯缺陷有助于溶質(zhì)在噴嘴斷口部位取樣進(jìn)行金相分析,采用氯化鐵元素(如硫、碳等元素)的擴(kuò)散,因此在孿晶面上可以鹽酸溶液作侵蝕劑。圖3為噴嘴材料的金相組織。由發(fā)現(xiàn)存在大量硫和碳的化合物,這些硫和碳的化合物圖3可見,裂紋的擴(kuò)展路徑是自噴嘴材料表面向內(nèi)以的存在削弱了孿晶面的強(qiáng)度,引起裂紋的萌生。沿晶方式擴(kuò)展的。噴嘴在高溫運(yùn)行過程中,由于高溫L滲硫所導(dǎo)致的低熔點(diǎn)共晶硫化物及高溫滲碳所形成的碳化物大多分布在晶界,在晶界上分布的低熔點(diǎn)共晶硫化物削弱了晶界的高溫強(qiáng)度,而在晶界上形成的碳化物則降低了晶界的耐腐蝕性能,這兩個因素共同作用的結(jié)果降低了噴嘴材料的晶界結(jié)合強(qiáng)度,在熱應(yīng)力和工作應(yīng)力的作用下,最終導(dǎo)致噴嘴發(fā)生沿晶開裂。顯然,在表面裂紋形成的初期階段,由于裂紋形成時間較早接觸富硫、富碳?xì)夥盏臅r間比較長,滲硫量和滲圖4噴嘴表面顯微組織×100碳量都比較大因此在早期形成的裂紋兩側(cè)可以觀察Fig. 4 Microstructure of nozzle surface x 1003改進(jìn)措施由水煤漿噴嘴的化學(xué)成分、斷口和金相組織分析可知,硫化物和碳化物對高溫服役的水煤漿噴嘴具有重大的影響,它們不僅降低了材料的強(qiáng)度,又會影響材料的耐腐蝕性能,最終導(dǎo)致噴嘴失效。因此,為了提高噴嘴的使用壽命提出以下一些改進(jìn)措施:①嚴(yán)格控制水煤漿中的硫含量,以防止高溫運(yùn)行中硫滲入噴嘴形成低熔點(diǎn)共晶硫化物,分布在奧氏體不銹鋼噴嘴的晶界上;②水煤漿噴嘴可選用1Crl8N9Ti等鉻-鎳奧氏體不銹鋼,因?yàn)樵?Cr18N9不銹鋼中加入鈦是可以防止奧氏體鋼經(jīng)相應(yīng)范圍內(nèi)保溫后出現(xiàn)的晶間腐蝕傾向,元素能與C元素形成穩(wěn)定的TC而避免了鉻的碳化物在晶界上析出而引起晶間腐蝕的可能,lCrl8N9Ti不銹鋼再經(jīng)固溶和穩(wěn)定化處理后,可以避免晶間腐蝕傾向;③通過表面滲鋁工藝改善奧氏體不銹鋼的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能和抗高溫氧化性能等,同圖3噴嘴斷口表面顯微組織×100時又不破壞基體材料的整體力學(xué)性能,滲鋁后鋁元素(a)裂紋初期(b)裂紋末期能夠和基體金屬(如Fe等基體元素)形成Fe-A金屬Fig 3 Microstructures of nozzle fracture surface x 100間化合物,在高溫下其表面能夠生成致密的氧化膜,防(a)erack initial (b) crack terminal止氡化、滲硫和滲碳過程的進(jìn)行,從而提高鋼的抗氧《金屬熱處理》206年第31卷第4期差速器圓錐齒輪的失效分析彭彥宏,呂曉霞,陸有(1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,吉林長春13005;2.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春130025)Failure Analysis of Cone Gear of Differential CasePENG Yan-hong, LU Xiao-xia?, LU You2(1. School of Automobile Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130025,China2. School of Materials Science and Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130025, China)中圖分類號:TG157文獻(xiàn)標(biāo)識碼B文章編號:02546051(20060407902某廠生產(chǎn)的差速器總成設(shè)計(jì)疲勞壽命為50萬次,度為58~62HRC。安裝完畢進(jìn)行臺架試驗(yàn)運(yùn)行至16萬次時發(fā)出異常聲1化學(xué)成分分析音,隨即停止試驗(yàn)并對差速器總成進(jìn)行解體檢查,發(fā)現(xiàn)采用RALL6400直讀光譜儀對失效齒輪進(jìn)行化差速器圓錐齒輪脫齒斷裂致使差速器總成不能正常學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知化學(xué)成分均符T作。圖1為斷裂齒輪實(shí)物照片。齒輪的材質(zhì)為合GB/T3077-199合金結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定20cMni鋼,熱處理工藝為滲碳淬火+低溫回火,硬表1失效齒輪的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of the failed gear(wt%)CCr Ti元素0.17-0.8~1,0標(biāo)準(zhǔn)值<0.035<0.035實(shí)測值0.211.11.210.100.0220.0232顯微組織和力學(xué)性能圖2為斷裂齒輪的顯微組織。由2圖可知,表面圖1失效齒輪實(shí)物照片組織為回火馬氏體+碳化物和少量殘留奧氏體,馬氏Fig 1 Macrograph of the failed gear體和碳化物級別為3級,心部組織為板條馬氏體。齒輪的滲碳層深度為1.2mm,表面和心部硬度分別為作者簡介:彭彥宏(196110—),男,吉林長春人,高級工程62HRC和42HRC。檢測結(jié)果表明,齒輪表面、心部組碩士,主要從事汽車制動動態(tài)參數(shù)的研究工作。聯(lián)系電話0431-5095806織和硬度均符合技術(shù)要求。圖3為齒輪軸向和徑向夾收稿日期:2005-12-13雜物分布情況。由圖3可見,軸向和徑向夾雜物形態(tài)化、抗?jié)B硫和抗?jié)B碳能力。體不銹鋼,并進(jìn)行表面滲鋁處理以賦予材料優(yōu)良的抗結(jié)論高溫氧化性能和抗高溫滲硫、滲碳性能,同時又能保證由噴嘴材料的化學(xué)成分分析可知噴嘴材料系基體材料的整體力學(xué)性能從而提高水煤漿噴嘴的使1Crl8N9奧氏體不銹鋼,鎳含量偏低且硫含量嚴(yán)重超壽命。參考文獻(xiàn):標(biāo)。噴嘴的裂紋沿著晶界擴(kuò)展,屬于沿晶開裂斷口,具[1]趙保成,朱柳娟,顧伯勤水煤漿代油改造技術(shù)在工業(yè)采有脆性斷口特征。水煤漿噴嘴長期在高溫服役時,高吸鍋爐中的應(yīng)用J].熱能動力工程,2004,19(6):34溫滲硫所導(dǎo)致的低熔點(diǎn)共晶硫化物及高溫滲碳所形成的碳化物大多分布在晶界,在晶界上分布的低熔點(diǎn)共2]趙保成T業(yè)采暖鍋爐水煤漿代油改造技術(shù)研究[D晶硫化物削弱了晶界的高溫強(qiáng)度,而在晶界上形成的南京:南京工業(yè)大學(xué),2003碳化物則降低了晶界的耐腐蝕性能,這兩個因素共同[3:岑可法,姚強(qiáng),曹欣玉,等煤漿燃燒、流動、傳熱和氣化的理論與應(yīng)用技術(shù)[Mj.杭州:浙江大學(xué)出版社,作用降低了噴嘴材料的晶界結(jié)合強(qiáng)度,在熱應(yīng)力和工作應(yīng)力的綜合作用下,噴嘴發(fā)生沿晶開裂而失效。因[4]高宗仁簡明不銹鋼使用手冊M].山西:山西科學(xué)技術(shù)此,在制造水煤漿噴嘴時建議盡量采用含鈦鉻鎳奧氏出版社,2003《金屬熱處理》2006年第31卷第4期