高壓蒸汽管道母材缺陷原因分析

李意發(fā)

（河南開祥精細(xì)化工有限公司，河南 義馬 472300）

某公司鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中，員工巡檢發(fā)現(xiàn)高壓蒸汽母管處地面有少量滴水現(xiàn)象，分析判斷該高壓蒸汽母管三通有輕微漏氣現(xiàn)象，采取緊急停爐措施后，將該三通進(jìn)行切割，對(duì)三通漏氣原因進(jìn)行分析和檢測(cè)。該鍋爐及高壓蒸汽管道的參數(shù)如表1所示。

表1

將三通切割后，發(fā)現(xiàn)從內(nèi)向外有一條裂紋貫穿三通壁厚（見圖1），由于停爐及時(shí)，未進(jìn)一步發(fā)生漏點(diǎn)擴(kuò)大甚至引發(fā)安全事故，為徹底弄清異徑三通失效的原因，對(duì)三通產(chǎn)生缺陷原因進(jìn)行分析檢測(cè)。

1 檢測(cè)儀器

主要檢測(cè)儀器有直讀光譜、100kN材料試驗(yàn)機(jī)，布氏硬度計(jì)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡，EDAX能譜儀等。

2 檢測(cè)結(jié)果

（1）宏觀分析。三通外觀呈高溫氧化色，有張開的裂紋(箭頭所示)，主裂紋從內(nèi)壁起裂穿透壁厚。取裂紋源區(qū)(裂紋張開最大區(qū)域)，裂紋沿介質(zhì)流動(dòng)軸向及沿壁厚從內(nèi)向外擴(kuò)展，主裂紋周圍有多條平行小裂紋，主裂紋打開后，裂紋面斷口形貌見圖2，斷口覆蓋灰色的高溫氧化物，局部有紅色氧化物，裂紋擴(kuò)展沿箭頭所示，從內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展穿透壁厚。

表2 三通化學(xué)成分

圖1

圖2

（2）化學(xué)成分分析。取樣進(jìn)行光譜化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。對(duì)照GB5310中12CrIMoVG材質(zhì)要求，檢測(cè)三通化學(xué)成分中多個(gè)元素不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）力學(xué)性能分析。三通取樣進(jìn)行拉伸、沖擊、硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別見表3～5。

表3 三通材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果表

表4 三通材料常溫橫向沖擊試驗(yàn)結(jié)果(單位:J)

表5 三通材料常溫硬度結(jié)果(HBW)指標(biāo)

對(duì)照GB5310中12CrIMoVG力學(xué)性能要求，檢測(cè)三通材料沖擊性能不合格，其他力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）金相分析。取主裂紋前端試樣拋光后在顯微鏡下觀察，沿軸線分布大量相互平行裂紋，裂紋尖端鈍化，見圖3，裂紋表面有致密氧化層，通過(guò)高倍觀察，裂紋處有空洞化特征，同時(shí)，具有沿晶傾向。

圖3

樣品浸蝕后觀察，內(nèi)壁存在焊縫組織，裂紋沿焊接柱狀晶間擴(kuò)展，見圖4箭頭所示。浸蝕后裂紋形態(tài)見圖5。金相組織為球粒狀珠光體+點(diǎn)狀珠光體，晶界有碳化物析出。靠近裂紋源區(qū)取樣檢測(cè)，三通試樣內(nèi)壁也發(fā)現(xiàn)存在焊接組織特征。

圖4

圖5

（5）掃描電鏡分析。將主裂紋源區(qū)取樣，然后，壓開裂紋，置入掃描電鏡觀察，斷口低倍形貌見圖6，放大形貌見圖7，為高溫氧化物特征，裂紋尖端仍有一層致密氧化物覆蓋(可判斷韌窩為人工打開斷口部分)，靠近外表面有焊接缺陷:夾渣和氣孔，最后，人工打開區(qū)域?yàn)轫g窩特征。對(duì)斷口有腐蝕產(chǎn)物覆蓋區(qū)域進(jìn)行能譜分析，主要成分為鐵的氧化物，有少量的Ca、P，見圖8。

圖6 斷口低倍形貌圖

圖7 裂紋尖端放大形貌

3 分析與討論

圖8 斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析

12Cr1MoVG 鋼是一種低合金高強(qiáng)度鋼，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較普遍的一種耐高溫結(jié)構(gòu)鋼。該鋼具有較高的持久塑性、持久強(qiáng)度和良好的抗氧化性能，同時(shí)，具有優(yōu)良的工藝性能，廣泛應(yīng)用于管壁溫度550℃的高溫、高壓鍋爐過(guò)熱器管、蒸汽管等。鋼板以正火加回火狀態(tài)交貨，在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加數(shù)種合金元素，用來(lái)提高鋼的力學(xué)性能、韌性和淬透性。

三通材質(zhì)檢測(cè)表面，其材質(zhì)不符合技術(shù)要求的12Cr1MoVG鋼，其成分接近35CrMoV鋼，35CrMoV為中碳低合金高強(qiáng)度鋼，35CrMoV經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用，在重型或中型機(jī)械制造業(yè)中，用來(lái)制造在高應(yīng)力下工作的重要零件，如長(zhǎng)期在500～520℃溫度下工作的汽輪機(jī)葉輪、高級(jí)渦輪鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子、蓋盤、軸盤、效率不大的發(fā)電機(jī)軸以及強(qiáng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的零件等。

宏觀分析表面，裂紋起源于三通內(nèi)表面，沿壁厚方向擴(kuò)展穿透整個(gè)壁厚，同時(shí)，沿介質(zhì)流向方向兩端擴(kuò)展，主裂紋附近有多條平行于主裂紋的小裂紋。微觀分析表面，裂紋表面均覆蓋有較厚鐵的氧化物。

金相分析表明，三通內(nèi)表面裂紋源區(qū)經(jīng)過(guò)焊接處理，金相組織為球粒狀珠光體及點(diǎn)狀珠光體，晶界有碳化物析出，說(shuō)明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫使用后，珠光體球化。裂紋有沿晶傾向，內(nèi)有氧化物，裂紋呈現(xiàn)空洞化特征。

三通沖擊功不合格主要是材料長(zhǎng)期使用性能劣化造成的。碳鋼的脆化形式為石墨化，珠光體鋼的脆化形式為珠光體球化，這種材料脆化問(wèn)題與所受載荷無(wú)關(guān)，只與溫度和時(shí)間有關(guān)，管壁的長(zhǎng)期超溫就會(huì)加劇這種脆性損傷。

微觀分析表面，裂紋打開后斷口覆蓋較厚的氧化層，裂紋尖端同樣覆蓋氧化物，裂紋擴(kuò)展速度較慢當(dāng)鋼鐵材料的碳含量大于0.22%時(shí)，其焊接性能會(huì)顯著變差，三通采用35CrMoV類型的鋼鐵后，不宜進(jìn)行表面焊接，焊接容易形成局部缺陷、殘余應(yīng)力等，為以后使用埋下隱患。

晶界碳化物會(huì)與高溫水汽反應(yīng)，生成氫氣、一氧化碳等，導(dǎo)致晶界弱化。

綜上所述，異徑三通材料不符合技術(shù)要求，碳含量高導(dǎo)致晶界碳化物、晶內(nèi)碳化物析出，珠光體球化，材料性能下降。三通內(nèi)壁經(jīng)過(guò)焊接處理，焊接會(huì)引入焊接缺陷，同時(shí)，產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。長(zhǎng)期的高溫高壓環(huán)境使用，焊接區(qū)域附近產(chǎn)生裂紋，裂紋壁厚及沿軸擴(kuò)展，裂紋穿透壁厚導(dǎo)致三通失效。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）異徑三通材料不符合技術(shù)要求，為中碳低合金鋼，非12Cr1MoVG高溫高壓管道鋼。

（2）裂紋從三通內(nèi)壁起裂，穿透壁厚導(dǎo)致三通失效，內(nèi)壁裂紋源區(qū)經(jīng)過(guò)焊接處理。

（3）異徑三通材料不符合技術(shù)要求、內(nèi)壁經(jīng)過(guò)焊接處理是導(dǎo)致三通失效的原因。

綜上可得，造成高溫蒸汽母管出現(xiàn)缺陷的主要原因?yàn)椴馁|(zhì)不符合要求，材質(zhì)耐熱溫度不滿足長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行條件，并且在加工制作過(guò)程中有明顯修復(fù)痕跡，造成局部起裂穿透。

質(zhì)量問(wèn)題是造成高溫蒸汽母管出現(xiàn)缺陷的主要原因，因此，對(duì)一些重要部位及安全等級(jí)要求較高的壓力管道材質(zhì)，一定要選用品牌過(guò)硬、質(zhì)量可靠的制作單位，確保安全穩(wěn)定運(yùn)行。