分享：中壓蒸汽管道開(kāi)裂原因

中壓蒸汽管道是指壓力為1.6~10 MPa的蒸汽管道，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和城市供熱等領(lǐng)域。中壓蒸汽管道常用于供熱系統(tǒng)，貫穿整個(gè)城市樞紐，因此管道的安全運(yùn)行至關(guān)重要[1]。蒸汽管道的泄漏事故時(shí)有發(fā)生，分析研究蒸汽管道泄漏原因有助于減小損失、保障民生和消除隱患等。中壓蒸汽管道易發(fā)生氫脆、H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、疲勞破壞等問(wèn)題，其中疲勞往往會(huì)造成突發(fā)事故，裂紋擴(kuò)展速率加快，金屬材料的疲勞極限大大降低，造成蒸汽管道發(fā)生早期泄漏。 

某工廠中壓蒸汽管道于1993年建造，1996年投入使用，2021年使用過(guò)程中發(fā)生泄漏，為了保障管道連續(xù)運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行了帶壓堵漏。2022年大檢修期間更換了帶壓堵漏的三通。開(kāi)裂管道的基本參數(shù)如表1所示。該裝置在運(yùn)行的前幾年多次出現(xiàn)中壓蒸汽管道短時(shí)超溫的情況，溫度最高達(dá)到470 ℃，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)溫度420 ℃，由于超溫時(shí)間較短，很快就恢復(fù)正常，并未引起工藝安全人員的注意。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了該蒸汽管道開(kāi)裂的原因，以避免類似問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

從開(kāi)裂管道上取長(zhǎng)度約為810 mm的樣管進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：管道外壁呈棕褐色，存在打磨痕跡，打磨痕跡處的外壁呈黃色，且外壁存在腐蝕坑；三通連接的管道內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)了密集的表面裂紋，部分裂紋橫縱交錯(cuò)，呈龜裂狀，龜裂裂紋約占管道周長(zhǎng)的1/3，大部分裂紋集中在管道下部，且管道內(nèi)壁附著有鐵銹色垢物，垢物厚度約為0.4 mm，內(nèi)壁存在腐蝕坑；管道內(nèi)壁焊縫成形較好，無(wú)明顯焊接缺陷；從管道橫截面觀察，管壁無(wú)明顯減薄現(xiàn)象。 

圖  1  開(kāi)裂管道的宏觀形貌

沿裂紋人工打開(kāi)，以裂紋面為檢驗(yàn)面，斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口斷面粗糙，呈黑色，起伏較小，由內(nèi)向外依次為啟裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、裂紋尖端、人為撕裂區(qū)；斷面存在貝殼狀條紋，收弧方向指向管內(nèi)壁，為多源啟裂，啟裂區(qū)斷面起伏略大、呈灰黑色，存在明顯由內(nèi)向外的擴(kuò)展條紋；擴(kuò)展區(qū)斷面粗糙，呈灰色，存在金屬小顆粒；裂紋尖端為弧線區(qū)域，存在白色撕裂棱。 

圖  2  斷口宏觀形貌

1.2   滲透檢測(cè)

依據(jù)NB/T 47013.5—2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》的要求，對(duì)開(kāi)裂管道進(jìn)行滲透檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：管道外壁未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，只存在少量腐蝕坑及焊疤；管道內(nèi)壁存在較多的裂紋及腐蝕坑，呈斷續(xù)狀，以縱向擴(kuò)展為主，裂紋存在微小分叉，呈龜裂狀，部分裂紋處存在腐蝕坑；裂紋區(qū)域縱向長(zhǎng)度約為130 mm，寬度約占管道周長(zhǎng)的2/3，中部不連續(xù)環(huán)向裂紋長(zhǎng)度約為195 mm；焊接接頭僅熔合線區(qū)域存在裂紋，母材區(qū)域部位完好。 

圖  3  開(kāi)裂管道滲透檢測(cè)結(jié)果

1.3   化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》的要求，分別對(duì)開(kāi)裂管道母材、焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知：開(kāi)裂管道母材和焊縫的化學(xué)成分符合API SPEC 5L—2020 《管線鋼管規(guī)范》的要求。 

1.4   力學(xué)性能測(cè)試

在開(kāi)裂管道上取樣，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由表3可知：管道的室溫拉伸性能滿足API SPEC 5L—2020的要求；470 ℃拉伸性能不滿足API SPEC 5L—2020的要求。 

1.5   金相檢驗(yàn)

在管道母材、焊縫、熱影響區(qū)截取試樣，對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：母材組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化級(jí)別為2.5級(jí)，裂紋由管內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，存在細(xì)小分叉，以穿晶開(kāi)裂為主，裂紋內(nèi)充滿灰色產(chǎn)物；熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，裂紋由管內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，內(nèi)壁裂紋較直，存在細(xì)小分叉，以穿晶開(kāi)裂為主，裂紋內(nèi)充滿灰色產(chǎn)物；焊縫組織為鐵素體+珠光體+貝氏體。 

圖  4  開(kāi)裂管道的顯微組織形貌

依據(jù)裂紋分布形態(tài)，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)裂紋的微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。 

圖  5  裂紋的微觀形貌

1.6   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

采用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：?jiǎn)⒘褏^(qū)斷面附著有較多顆粒狀、塊狀氧化物，氧化物與金屬基體緊密結(jié)合、難以清洗；擴(kuò)展區(qū)存在疲勞輝紋，呈疲勞開(kāi)裂特征；裂紋尖端存在疲勞輝紋，呈疲勞開(kāi)裂特征。 

圖  6  斷口SEM形貌

對(duì)裂紋表面垢物和內(nèi)壁垢物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖7，8所示。由圖7，8可知：裂紋表面垢物含有較多的Fe、O、C元素，以及少量Mn、Si、Ti、S、Cl等元素；內(nèi)壁垢物含有較多的Fe、O、C元素，以及少量Mn、Si、S、Al、Ca等元素。 

圖  7  裂紋表面垢物能譜分析結(jié)果

圖  8  內(nèi)壁垢物能譜分析結(jié)果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：管道的化學(xué)成分、室溫拉伸性能等均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，非金屬夾雜物以顆粒狀為主；管道組織為鐵素體+珠光體，管道珠光體球化等級(jí)為2.5級(jí)，為輕度球化。 

管道外壁附著的紅褐色、黃色垢物為管道暴露在潮濕環(huán)境中產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物，而內(nèi)壁附著的片狀、塊狀垢物大部分為介質(zhì)與金屬基體發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物。內(nèi)、外壁垢物中均含有較多的Fe、O、C元素，使熱疲勞裂紋內(nèi)部呈灰色，且表面區(qū)域可提取出氧化物質(zhì)。發(fā)生H2S應(yīng)力腐蝕的條件為，濕H2S的分壓大于0.000 3 MPa，溫度低于82 ℃。中壓蒸汽中濕H2S的含量很少，且斷口上S元素含量很少，其操作溫度為400 ℃，不滿足H2S應(yīng)力腐蝕的條件，表明管子的開(kāi)裂與H2S應(yīng)力腐蝕無(wú)關(guān)。 

開(kāi)裂主要沿著管體軸線方向，即與管體的最大環(huán)向應(yīng)力方向垂直。管體開(kāi)裂邊緣平直，無(wú)明顯的塑性變形和撕裂痕跡，呈脆性開(kāi)裂特征[2-3]。斷口擴(kuò)展區(qū)呈脆性開(kāi)裂特征，裂紋尖端存在取向一致、排列整齊的疲勞輝紋。裂紋筆直向前擴(kuò)展，未見(jiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋的樹(shù)枝狀分叉特征，裂紋的后部張開(kāi)較大，里面有高溫氧化產(chǎn)物，說(shuō)明該疲勞裂紋為高溫條件下的高溫疲勞或者熱疲勞所致。 

該開(kāi)裂管道已運(yùn)行26 a，服役期間每1~2 a進(jìn)行停車檢修，多次的開(kāi)、停車使管壁升溫、降溫、升壓、降壓，溫度多次變化導(dǎo)致材料塑性變差，易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。同時(shí)，在服役過(guò)程中多次發(fā)生瞬時(shí)超溫，最高溫度為470 ℃，使材料的抗拉強(qiáng)度由445 MPa下降至310 MPa，屈服強(qiáng)度由318 MPa下降至229 MPa，降幅較大，低于標(biāo)準(zhǔn)要求。 

在服役過(guò)程中，管道存在通氣量波動(dòng)或混合區(qū)域混合不完全等情況，當(dāng)通氣量較少，或者混合不完全時(shí)，管壁溫度下降；當(dāng)通氣量較大時(shí)，水量減少、管壁溫度急速上升，如此往復(fù)，產(chǎn)生了循環(huán)熱應(yīng)力，使材料易發(fā)生熱疲勞損傷。現(xiàn)場(chǎng)管道開(kāi)裂位置也集中在管道底部，裂紋始發(fā)于受熱表面熱應(yīng)變最大的區(qū)域，裂紋垂直于應(yīng)力方向由表面向壁厚深度方向擴(kuò)展，受熱表面產(chǎn)生特有的龜裂裂紋，以單個(gè)或多個(gè)裂紋的形式出現(xiàn)，裂紋通常較短、較寬，呈匕首狀，分支少，以穿晶開(kāi)裂為主，裂紋縫隙多充滿高溫氧化物，呈多源熱疲勞裂紋特征[4-6]。綜上所述，該中壓蒸汽管線的開(kāi)裂性質(zhì)為多源熱疲勞開(kāi)裂。 

3.   結(jié)論及建議

在管道服役過(guò)程中，管道內(nèi)通氣量不均勻、混合區(qū)域混合不完全，使材料產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致中壓蒸汽管道發(fā)生熱疲勞開(kāi)裂。 

建議在服役過(guò)程中保證管道內(nèi)通氣量足夠，避免形成溫差熱應(yīng)力，進(jìn)而避免發(fā)生熱疲勞腐蝕。同時(shí)，建議加強(qiáng)對(duì)該類似工況管道的檢驗(yàn)檢測(cè)。

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