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《机械工程材料杂志》2014年第五期
1理化检验与结果
1．1宏观形貌支撑板发生断裂的位置如图1（a）所示。整个支撑板已严重腐蚀开裂，表面附有黄色和绿色结垢物，而蒸汽管无任何失效现象，如图1（b）所示。蒸发器所处锅炉炉壁表面有大量涂层脱落现象，这里选取两个典型的失效试样（A和B）进行深入分析和研究，以确定失效的原因。由图2可见，A的正面和背面沉积有绿色和黄色附着物，这些附着物呈层状剥离，这是典型的由高温氧化引起的基体表面脱落失效，且部分附着物已完全脱落，露出了发黑的基材，说明该试样经历过严重的超温过热现象。经确认，该附着物主要来源于锅炉炉壁内表面脱落的涂层。B的基体表面发黑，出现分层开裂，如图3（a～b）所示。利用三维体视显微镜可观察到表面层状剥离的形貌，如图3（c），以及表面阶梯状形貌，如图3（d～e），图3（e）显示了试样表面不同位置的高度分布，颜色的不同代表高度的差异，由此可见试样B的表面高度呈典型的阶梯断层分布，这是不同位置的基体材料因高温氧化程度不同而引起剥离的时间有先后所致，表明试样B存在高温氧化腐蚀的现象。
1．2化学成分采用火花直读光谱法（OES）对失效支撑板进行化学成分分析，测试结果如表1所示。结果表明，支撑板材料成分符合美国牌号为S31008［15］（即310S［15］特种不锈钢）的标准要求。
1．3显微组织由图4可见，失效支撑板的基体为奥氏体，其上分布着暗黑色铁素体，少量黑色物为表面晶体氧化的结果，基本符合310S不锈钢的显微组织特征。
1．4SEM形貌及EDS谱采用扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）对B的微观形貌及微区成分进行分析。与基材相比，试样B的腐蚀层颜色明显偏暗、结构疏松，并可观察到层状剥离形貌，如图5（a～b）所示。对图5（a）的位置1进行微区成分分析，结果（表2）显示腐蚀层含有很高的氧元素，远高于内部未腐蚀基体材料中的。因此可断定该支撑板的失效是由高温氧化腐蚀引起的。此外，由表2还可以看出，由基体材料内部至外层（e点→a点），铁元素和镍元素的含量均逐渐减少，铬元素逐渐增加。说明在高温氧化腐蚀过程中，铬原子向外层扩散的速度相对较快，与氧形成了疏松的氧化层而脱落，铁和镍的富集层在铬层之下。尖晶石（FeCr2O4／NiCr2O4）；在b点和c点均检出了较高含量的硫元素，尤其是c点，硫的质量分数高达16．2％。由于在废水中未发现硫，故推测硫是因运行前清理不干净而残留在装置中的。图5（c）为位置2的SEM形貌，同样在腐蚀层中检测到了高含量的氧元素，如表3所示，这再次证明该腐蚀主要为高温氧化的结果。由图6（a）可见，腐蚀表面凹凸不平、形状不规则，并分布有大量裂纹；将其进一步放大，可见表面上有熔融后再凝固的形貌，如图6（b）所示，该形貌并非310S不锈钢的显微形貌特征。由此断定，该支撑板在运行过程中曾经历过超温环境，在运行过程中支撑板局部区域可能存在短时超高温的过热工况，从而出现了高温熔融失效的显微形貌。由图6（c～d）可见，试样B表面出现了大量裂纹，这是高温氧化腐蚀引起表面层脱落的失效特征。利用EDS对图6中a，b，c三个不同位置进行表面成分分析，结果如表4所示，可见，表面成分以金属氧化物为主，这再次证明了该失效为高温氧化腐蚀的结果。
1．5硬度利用Znick全洛氏硬度试验机测得支撑板的硬度为94HRB，符合ASTM对310S不锈钢的硬度值要求（不大于95HRB）。
1．6废水成分采用气质联用质谱仪（GC－MS）对废水成分进行了测定，结果见图7，这表明该废水以乙酸等小分子有机物为主，与厂方提供的信息（表5）基本吻合。综上所述，失效支撑板材料符合ASTM－S31008标准的310S耐高温不锈钢，选材符合设计要求。文献显示［16］，310S不锈钢具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性和耐高温性，可以长期在1100℃的高温下安全运行。但为何在本装置工况条件（壳程设计温度为950℃）下发生了如此严重的失效现象？究其原因，是因为该失效支撑板在运行过程中可能存在短时超温现象，从而导致310S不锈钢发生高温氧化腐蚀。
2支撑板的失效原因
失效支撑板的基材外观发黑，呈层状剥离，表现出了典型的高温氧化腐蚀特征。失效件的微观形貌和微区成分进一步证明了这一论断。与厂方交流后获悉该系统在运行过程中确实存在过短时超温现象。 基体中的铁、铬、镍等在高温烟气环境中被腐蚀氧化，铬原子向外扩散与氧形成了Cr2O3，铁和镍的富集层在铬层之下，形成了疏松的Fe3O4、Fe2O3及氧化镍等产物。这些氧化产物与基材的热膨胀系数不同，在外界温度发生变化时会发生分层、开裂，并逐层脱落，腐蚀到一定深度后产生断裂。金属在高温环境中的性能和寿命会随温度的升高而降低，支撑板上的表面结垢物阻碍了局部区域热量的及时散出，延长了超温过热时间，这也是加速支撑板发生高温氧化腐蚀进程、缩短使用寿命的另一重要因素。
3结论与建议
支撑板在工作过程中因形成短时超温导致的高温氧化腐蚀是其发生断裂的主要原因，支撑板上的结垢物阻止了局部区域热量的及时散出，延长了超温过热时间，从而加速其发生高温腐蚀的进程，缩短了使用寿命。建议采取如下措施：（1）按照操作规程和设计规定，严格控制蒸发器的使用温度，避免出现短时超温过热现象的发生；（2）若超温现象不可避免，建议选用陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料作为支撑板材质，替换现使用的耐高温310S不锈钢；（3）310S不锈钢表面可以均匀喷涂耐高温、导热型陶瓷层，如TiB2、MoSi2等，以防止支撑板表面结垢，提高支撑板的耐高温抗氧化能力。
作者：马越跃杨宇清汤陈怀王胜辉胡诗萌杨振国单位：复旦大学材料科学系上海市特种设备监督检验技术研究院