蒸汽管道流量計失效分析

聞 強

（安徽昊源化工集團有限公司，安徽 阜陽 236058）

2019年5月9日中午，某化工廠鍋爐因結焦，開始降壓、降溫，準備停爐除焦，三個小時后，發現蒸汽管道（Φ219*12mm）流量計環焊縫附近發生泄漏，操作人員關閉閥門，前后過程不足8分鐘，由泄漏發展到整體斷裂。發生斷裂時操作溫度為410℃，壓力3.8MPa，爐水PH值9～10，經爐水分析Na+含量為0.1～0.2ppm。為預防此類事故的再次發生，分析該流量計斷裂失效的原因。

1 宏觀檢驗

現場初步勘察發現，裂紋起源于量流計與下游蒸汽管道連接環焊縫的流量計側母材及焊縫熱影響區，是多源斷口。內表面斷口距焊縫最近約7mm，為流量計焊縫熱影響區，外表面斷口位于焊縫熔合線，斷裂部位無可見塑性變形。樣品斷口表面整體較平整，可見黑褐色腐蝕產物，近外壁局部區域可見明顯的瞬斷區，可見裂紋由內壁向外壁擴展，如圖1.1所示。內壁發現大量的白色垢物，結垢會造成該區域PH值增大，為堿應力腐蝕開裂提供環境，如圖1.2所示。

圖1.1 分析樣品位置及形貌

圖1.2 內壁白色垢物

2 化學成分分析

對流量計樣品進行光譜分析，分析結果（見表2.1）表明，流量計化學成分符合GB/T5310—2008對12Cr2MoWVTiB材料的要求。

3 維氏硬度測定

流量計側母材及熱影響區維氏硬度遠高于GB/T5310—2008對12Cr2MoWVTiB材料的要求，詳見表3.1。

4 金相分析

斷口附近流量計側母材處發現了兩條平行于斷口的裂紋，裂紋由內壁向外壁擴展，裂紋擴展初期主要為沿晶形貌，裂紋尖端沿穿晶擴展，母材金相組織為粒狀貝氏體+少量羽毛狀貝氏體，組織粗大。流量計側熱影響區組織為羽毛狀貝氏體+少量馬氏體，局部晶界析出了大量的碳化物，晶界碳化物的大量析出降低了晶界強度，粗大的晶界降低了材料的力學性能（塑性、韌性）。焊縫金相組織為正常的粒狀貝氏體基體+少量條狀及塊狀鐵素體。

5 斷口分析

斷裂面表面覆蓋有大量的腐蝕產物，并伴有球狀氧化物。近內壁處一區域呈現冰糖狀形貌且晶粒粗大，為沿晶斷裂的特點，判斷該處疑為裂紋源；其余內壁區域及心部區域為解理斷裂形貌，為脆性開裂的特點；近外壁瞬斷區呈韌窩狀花樣，為塑性開裂的典型特點；由此可見，開裂過程是內壁向外壁擴展。

表2.1 流量計化學成分分析結果（Wt%）

表3.1 維氏硬度測定結果（HV）

表6.1 能譜主要元素分析結果

6 能譜分析

用X射線能譜儀對斷口表面和裂紋縫隙中的腐蝕產物進行分析，分析部位見圖6.1，分析結果見表6.1，由分析結果可知，腐蝕產物均以氧化物為主，并伴有大量的Na、K、Si及少量的S元素。

圖6.1 能譜分析部位

7 開裂原因分析

1）流量計材質硬度、抗拉強度遠高于標準要求，斷后伸長率和室溫沖擊功遠低于標準要求（沖擊功值只有標準要求的10%），材料的塑性及韌性極差；金相組織晶粒粗大。原因很可能是流量計材料熱處理狀態不符合要求。流量計內表面焊縫熱影響區及鄰近區域的母材由于受到焊接熱輸入的影響（有一定的熱處理效果），力學性能有所改善，該區域與正常母材的交界區域成為應力集中區，該部位存在的微小缺陷，甚至粗大的晶粒都有可能形成裂紋源。2）介質中存在有害離子，如Na+、K+、CI-、S-，在流量計內表面局部形成應力腐蝕開裂環境，尤其是堿應力腐蝕開裂環境，一旦形成，短時間內就會造成材料開裂。

8 結論

3.8MPa中壓蒸汽管道主流量計開裂的主要原因是流量計材料力學性能不合格，對應力腐蝕極度敏感，在存在堿應力腐蝕開裂的環境下，極短時間內開裂失效。