蒸汽旁路管線吹掃斷裂并氧化的原因探討

齊 聰

浙江石油化工有限公司 浙江舟山 316000

某石化空分裝置高壓蒸汽管線在投用前吹掃過程中，主蒸汽管線水平旁路管道彎頭焊縫側母材斷裂，且斷裂管道兩側斷面內壁有一層肉眼可見的黑色附著物。經現場調查，蒸汽旁路規格為φ33.4×4.55，材質為15CrMoG，吹掃蒸汽壓力為3.8MPa、溫度為396℃。蒸汽吹掃約3d 時，旁路管道鍛制彎頭與支管連接的承插焊焊接接頭附近母材處斷裂。蒸汽旁路及斷裂位置示意見圖1，斷口處黑色附著物見圖2。

圖1 蒸汽旁路及斷裂位置示意圖

圖2 斷口處黑色附著物

1 原因初步探討

通過現場斷裂管段旁路現場查看，對斷裂和附著物原因初步分析探討，并逐項確認。

（1）吹掃蒸汽溫度過高，造成管道超溫，導致材料性能下降并在流量計重力拉拽作用下產生斷裂，將內壁氧化。但經調取現場工藝操作歷史曲線發現，蒸汽溫度為396℃，無劇烈波動，符合工藝要求。

（2）蒸汽旁路管道原材料材質、力學性能不合格，在長期高溫蒸汽吹掃下，導致材料性能下降，在流量計重力拉拽作用下產生斷裂，并將內壁氧化。需要對同批原材料進行理化、力學性能分析。

（3）現場查看發現，斷裂旁路管道直徑小，靠近斷裂處有流量計，且旁路管道無支撐，可能在高溫高壓蒸汽振動和流量計的重力作用下，旁路管道發生疲勞斷裂。需對斷裂管段進行失效分析。

（4）在熱處理時，管道焊縫溫度過高或時間過長，導致材料性能下降，并在流量計重力拉拽作用下產生斷裂，并將內壁氧化。需對斷裂管段進行失效分析。

2 檢測分析

通過初步分析探討，需對同批原材料進行進一步的理化、力學性能分析，確定斷裂管段失效的原因。考慮到還有其他單元同樣在蒸汽旁路管線進行了蒸汽吹掃，因此在該單元蒸汽旁路流量計更換時，對同樣位置管段進行切割取樣，分別對兩組旁路管線進行宏觀檢查和理化分析，對比查找旁路斷裂原因和附著物產生原因。取樣情況見表1。

表1 斷裂管段和正常管段取樣清單

2.1 宏觀分析

為了便于觀察，對1# 、2# 樣管壁進行局部切割，如圖3 所示。

圖3 1#樣（a）和2#樣（b）管壁的局部切割圖

對1# 樣管檢查發現，斷裂部位位于承插焊焊接接頭部位直管母材部分，斷口呈現30°左右的傾斜角，且母材有撕裂的破口，角焊縫本身沒有裂紋。管材內壁解剖后，發現內壁有一層肉眼可見的黑色顯金屬光澤的附著物，部分已經脫落，脫落后的母材基體呈黑褐色，如圖4（a）所示。斷裂處外表面外觀顏色較深，呈黑色，遠離斷裂處呈現紅褐色。離斷裂部位較遠的內壁呈黑色，內壁無肉眼可見的附著物。

對2# 樣管檢查發現，外壁承插焊焊接接頭部位呈明顯的黑色，顏色較深，遠端呈現紅褐色與1# 樣管類似。承插焊焊接接頭部位外壁氧化皮較厚，可見分為三層，外層最厚，向內逐漸減薄，見圖4（b）。承插焊焊接接頭部位內壁管材內壁解剖后，發現內壁有一層肉眼可見的黑色顯金屬光澤的附著物，與1# 樣管類似。離焊接接頭部位較遠的內壁呈黑褐色，內壁無肉眼可見的附著物，與1# 樣管類似。

圖4 1#斷裂管段（a）和2#其他單元同位置未斷裂管段（b）內壁解剖圖

2.2 化學成分分析（光譜檢測）

根據《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法）》GB/ T4336- 2016 標準，使用通道式合金分析儀，對3 個樣管進行化學成分分析，結果見表2。由表可見，3 個樣品管的化學成分均符合GB/ T5310- 2017 標準中合金結構鋼15CrMoG 成分要求。

表2 3 個樣品管的化學成分分析結果（wt%）

2.3 力學性能檢測

對3 個樣管取樣進行拉伸實驗，結果如表3 所示。由表可見，1# 樣管和 2# 樣管結果不符合GB/ T5310- 2017 標準中合金結構鋼15CrMoG 標準要求，3# 樣管符合GB/ T5310- 2017 標準中合金結構鋼15CrMoG 標準要求。

表3 3 個樣品管的力學性能檢測結果

2.4 金相顯微組織分析

對1# 、2# 樣管進行金相檢驗，并按照GB/ T5310的規定進行了非金屬夾雜物、晶粒度、顯微硬度等檢測。

2.4.1 金相組織

金相組織檢驗結果如圖5 和圖6 所示。由圖5 可見，1# 樣管的氧化層區顯微組織為貝氏體，含有少量魏氏體，在樣管外壁、中間及內壁均檢測到裂紋和延晶開裂。2# 樣管氧化層區的顯微組織為珠光體+ 鐵素體，在樣管外壁檢測到脫碳層1.2mm。1# 和2# 樣管中間和遠端區取樣觀察顯微組織均為鐵素體，已嚴重球化，球化均在5 級，見圖6。

圖5 1#樣管氧化層區金相

圖6 1#和2#樣管球化5 級

2.4.2 非金屬夾雜物

分別對1# 、2# 樣管進行非金屬夾雜物檢測，1# 樣管檢測出非金屬夾雜物B 類2.0 級，2# 樣管未檢測出明顯的非金屬夾雜物，二者均符合GB/ T5310- 2017 標準中合金結構鋼15CrMoG 要求。

2.4.3 晶粒度

分別對1# 、2# 樣管的氧化層區及中間區域進行晶粒度檢測，結果見表4。

表4 1#和2#樣管的晶粒度檢測結果

2.4.4 顯微硬度

分別對1# 、2# 、3# 樣管進行顯微硬度檢測，檢測結果見表5。由表可見，1# 樣管近斷裂處的硬度和2# 樣管脫碳層的硬度均不符合GB/ T5310- 2017 標準中合金結構鋼15CrMoG 要求。1# 和2# 樣管其他區域的硬度雖然符合GB/ T5310- 2017 標準中合金結構鋼15CrMoG要求，但與原材料3# 樣管硬度相比有明顯下降。從金相檢驗的結果看，材料經歷高溫過程后，1# 樣管斷裂部位硬度偏高，晶粒度粗大，力學拉伸也反映出塑性嚴重下降，金相組織發生變化，說明經歷了完全相變，此溫度在727～900℃之間。2# 樣管也經歷了高溫，而且發生了外壁脫碳，脫碳和球化一般在500℃以上就會發生。

表5 1#、2#和3#樣管的顯微硬度檢測結果

2.5 氧化層成分分析

對1# 、2# 樣管內壁氧化層進行取樣和破碎，使用X 射線衍射儀（XRD）對氧化層的成分進行檢測，結果如表6 所示。由表可見，兩個樣管的附著物主要成分為Fe3O4、Cr2FeO4和FeO，2# 樣管中還存在少量Fe。

表6 1#和2#樣管內壁氧化層的XRD 分析結果

2.6 斷口形貌分析

對1# 樣管斷口除銹去污后進行掃描電子顯微鏡（SEM）分析，結果如圖7 所示。對局部進行放大觀察斷口處呈晶粒狀，有許多反光的小平面，斷口面上呈現出許多不同高度的相互平行的解理面之間的臺階。由此推斷，1# 樣管斷裂形式主要是脆性斷裂。

圖7 1#樣管斷口形貌SEM 圖

2.7 能譜分析

對1# 、2# 樣管氧化層分別進行能譜成分分析（EDS），結果如表7 所示。由表可見，1# 和2# 樣管樣管中的O 元素主要分布在中間氧化層和內壁氧化層區；Cr元素主要分布在中間氧化層，少量分布于母材上。

表7 1#、2#樣管氧化層的EDS 數據

3 檢測結果整理分析

3.1 材料發生嚴重的高溫氧化

組織結構的轉變特征顯示出材料的服役溫度明顯超出15CrMo 耐熱鋼服役溫度上限為550℃的要求。因為珠光體球化和溫度密切相關，對于低Cr 的合金鋼，要產生CrFe 化合物一般需要625～650℃以上的溫度。從內壁氧化皮厚度約1mm 厚度可以估算，爐管在運行狀態下的實際溫度。對于含1%～3%Cr 的低合金耐熱鋼來說，氧化層厚度和Larson- Miller 參數相關聯，根據Larson- Miller參數表達式估算爐管管壁實際運行溫度約864℃。

3.2 氧化區材料力學性能嚴重下降

靠近焊縫、氧化嚴重的部位有脫碳層，晶粒度粗大，中間氧化層較稀薄區域與遠端區域均為鐵素體，球化嚴重。球化的程度與硬度檢測規律一致，球化嚴重處硬度下降25%左右。

3.3 強度和應力計算分析

對1# 斷裂樣管采用CASERII 和有限元建模進行應力計算，并考慮流量計的自重和工作參數，斷裂部位的薄膜應力+ 彎曲應力約在21.98MPa 左右，最大應力部位位于9 點鐘方向，與斷裂的部位基本吻合。由于靠近焊縫、氧化嚴重的管子母材力學性能檢測結果均顯示屈服明顯下降，斷裂部位常溫最低屈服為118MPa，按照GB/ T5310 附錄高溫屈服強度比推算，400℃下材料屈服強度約為55MPa、抗拉強度120MPa。從實驗結果判斷該斷裂屬于脆性斷裂，且裂紋延晶開裂，是因為材料經歷高溫，發生奧氏體轉化，冷卻時成為鐵素體或馬氏體；且流量計和旁路無支撐，蒸汽吹掃時振動產生的疊加應力超過材料極限，從而導致解理斷裂。

3.4 超溫原因分析

根據材料性能變化的部位和趨勢，發現越靠近管端，氧化越嚴重，性能越差，可以判斷為局部受熱超溫所致。蒸汽吹掃396℃溫度下持續3d 時間都不可能產生1mm 厚氧化皮，只有材料加工和焊熱處理過程中才會有超溫的可能。

（1）管材制造時是整體熱處理，如果超溫將出現大范圍氧化，但從樣管檢測結果判斷，其他部位沒氧化情況。

（2）安裝時，由于該處管段長度很短，會采用切割等工序，但不同單元位置同時出現類似情況，可以排除火焰切割導致的的可能。同時，焊接過程時間較短，不具備產生厚氧化皮的條件。

（3）從1# 、2# 樣管外觀顏色可以看到，在鍛制彎頭外表面及角焊縫外側一定范圍，氧化皮顏色呈對稱分布，應是角焊縫和鍛制彎頭整體加熱，焊縫彎頭整體熱處理溫度偏高，時間較長導致。

4 結論

綜上所述，材料經歷遠超使用溫度上限的熱加工過程，且持續較長時間，導致組織發生變化，材料球化嚴重，致使力學性能嚴重下降。同時，該處由于內壓和閥門自重導致的應力水平接近材料的屈服極限，在蒸汽吹掃時，由于流速流量的變化，產生喘振和振動，產生的附加應力疊加內應力等超過材料許用應力，導致了管道破裂。

根據分析結果制定了整改措施，對旁路管線進行更換，焊接后采取可靠的熱處理方案并嚴格監控熱處理溫度和時間，并在旁路管道流量計處增設支撐。整改后重新吹掃、投運至目前，蒸汽旁路管線未出現此類問題。