蒸汽管道流量計失效分析

聞 強(qiáng)

（安徽昊源化工集團(tuán)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(jié)焦，開始降壓、降溫，準(zhǔn)備停爐除焦，三個小時后，發(fā)現(xiàn)蒸汽管道（Φ219*12mm）流量計環(huán)焊縫附近發(fā)生泄漏，操作人員關(guān)閉閥門，前后過程不足8分鐘，由泄漏發(fā)展到整體斷裂。發(fā)生斷裂時操作溫度為410℃，壓力3.8MPa，爐水PH值9～10，經(jīng)爐水分析Na+含量為0.1～0.2ppm。為預(yù)防此類事故的再次發(fā)生，分析該流量計斷裂失效的原因。

1 宏觀檢驗(yàn)

現(xiàn)場初步勘察發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于量流計與下游蒸汽管道連接環(huán)焊縫的流量計側(cè)母材及焊縫熱影響區(qū)，是多源斷口。內(nèi)表面斷口距焊縫最近約7mm，為流量計焊縫熱影響區(qū)，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(chǎn)物，近外壁局部區(qū)域可見明顯的瞬斷區(qū)，可見裂紋由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，如圖1.1所示。內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)大量的白色垢物，結(jié)垢會造成該區(qū)域PH值增大，為堿應(yīng)力腐蝕開裂提供環(huán)境，如圖1.2所示。

圖1.1 分析樣品位置及形貌

圖1.2 內(nèi)壁白色垢物

2 化學(xué)成分分析

對流量計樣品進(jìn)行光譜分析，分析結(jié)果（見表2.1）表明，流量計化學(xué)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(cè)母材及熱影響區(qū)維氏硬度遠(yuǎn)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(cè)母材處發(fā)現(xiàn)了兩條平行于斷口的裂紋，裂紋由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展初期主要為沿晶形貌，裂紋尖端沿穿晶擴(kuò)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(cè)熱影響區(qū)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(qiáng)度，粗大的晶界降低了材料的力學(xué)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(chǎn)物，并伴有球狀氧化物。近內(nèi)壁處一區(qū)域呈現(xiàn)冰糖狀形貌且晶粒粗大，為沿晶斷裂的特點(diǎn)，判斷該處疑為裂紋源；其余內(nèi)壁區(qū)域及心部區(qū)域?yàn)榻饫頂嗔研蚊?，為脆性開裂的特點(diǎn)；近外壁瞬斷區(qū)呈韌窩狀花樣，為塑性開裂的典型特點(diǎn)；由此可見，開裂過程是內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展。

表2.1 流量計化學(xué)成分分析結(jié)果（Wt%）

表3.1 維氏硬度測定結(jié)果（HV）

表6.1 能譜主要元素分析結(jié)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(chǎn)物進(jìn)行分析，分析部位見圖6.1，分析結(jié)果見表6.1，由分析結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)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(zhì)硬度、抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，斷后伸長率和室溫沖擊功遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求（沖擊功值只有標(biāo)準(zhǔn)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(tài)不符合要求。流量計內(nèi)表面焊縫熱影響區(qū)及鄰近區(qū)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(xué)性能有所改善，該區(qū)域與正常母材的交界區(qū)域成為應(yīng)力集中區(qū)，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(zhì)中存在有害離子，如Na+、K+、CI-、S-，在流量計內(nèi)表面局部形成應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境，尤其是堿應(yīng)力腐蝕開裂環(huán)境，一旦形成，短時間內(nèi)就會造成材料開裂。

8 結(jié)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(xué)性能不合格，對應(yīng)力腐蝕極度敏感，在存在堿應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境下，極短時間內(nèi)開裂失效。