中壓蒸汽管道焊縫斷裂原因分析

許建勛，欒霄，羅寧慧，紀承祖

（中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210033）

蒸汽系統是石化企業中重要的公用工程系統，一旦失效將會造成多個裝置停工。高溫高壓的蒸汽通過管道運輸，可以利用減溫減壓器降低蒸汽壓力和溫度，以達到不同裝置的需求。某石化廠蒸汽系統在運行過程中，某處中壓蒸汽管道進減溫減壓器前焊縫發生斷裂。通過在焊縫斷口處取樣，對失效部件進行化學成分分析、宏觀分析、微觀分析、力學性能試驗等，明確焊縫斷裂根本原因。

1 管道基本情況

該中壓蒸汽管道，工作介質為中壓蒸汽，額定工作溫度420℃，額定工作壓力3.5MPa。管道材質為20G，外徑× 壁厚=216×13mm（測量），執行標準GB/T 5310-2017；法蘭材質為321（0Cr18Ni10Ti），執行標準 HG/T20592-2009（WN200B-100RJ）。焊材為309，執行標準不詳。該中壓蒸汽流程是將系統3.5MPa 蒸汽通過減溫減壓器降為1.0MPa低壓蒸汽，供后路裝置使用。失效件為中壓蒸汽管道與法蘭處焊縫，該焊縫沿管側熔合線斷裂，見圖1。

圖1 失效件取樣

2 分析方法與儀器設備

本項目主要試驗設備及檢測方法見表1。

表1 分析方法及儀器設備

3 實驗過程及結果

3.1 化學成分分析

分別依據《GB/T4336-2016 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》《GB/T11170-2008 不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法(常規法)》標準，采用GNR S5 Solaris plus 電火花直讀光譜儀對20G 管、熔敷金屬、321 法蘭分別進行材料化學成分檢測，測3 點取平均值，結果見表2。數據表明，20G 管材料的化學成分符合GB/T 5310-2017 標準中20G 材料的要求；321 法蘭材料的化學成分符合JB 4728-2000 標準中0Cr18Ni10Ti 材料的要求；焊材的執行標準不詳。

表2 化學成分分析（wt%）

3.2 拉伸試驗

依據《GB/T228.1-2021 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》標準，沿20G 管橫向加工試樣，進行常溫拉伸試驗，試驗數據見表3。

表3 常溫拉伸試驗結果

結果表明，20G 管常溫的抗拉強度、屈服強度符合GB/T 5310-2017 標準中20G 管要求，斷后伸長率小于標準要求。

3.3 沖擊試驗

依據《GBT229-2020 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》標準，沿20G 管縱向加工試樣，進行常溫沖擊試驗，試驗數據見表4。結果表明，20G 管室溫沖擊結果很低，低于GB/T 5310-2017 標準中20G 管要求，斷口為脆性斷口。

3.4 硬度測試

依據《GB/T4340.1-2009 金屬材料維氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》標準，在垂直管-法蘭焊縫的截面上進行維氏硬度測試，試驗數據見表5。結果表明，20G 管母材HV 硬度值在GB/T5310-2017 中20G 管的標準要求范圍內；20G 管側熱影響區HV 硬度值高于GB/T5310-2017 中20G 管的標準要求上限。JB4728-2000 中321(0Cr18Ni10Ti)的標準要求硬度值為HB，無HV 的要求，根據經驗公式HB=（HV+10.5）/1.05，可以計算出HV 的范圍為135 ～186HV，因此，法蘭母材及法蘭側熱影響區硬度在標準要求范圍內。焊縫區硬度高于法蘭的標準要求范圍。

表5 維氏硬度試驗結果（HV10）

3.5 宏觀分析

圖2 為失效管道斷口宏觀形貌。從圖中可以看出，裂紋在焊縫管側熔合線處產生并沿熔合線擴展直至斷裂，整個斷口都處于熔合線上。圖2-a 中約1/8 周長斷口銹跡明顯，此處法蘭內壁也銹跡明顯，其余部分斷口及內壁沒有明顯銹跡，部分無銹跡的斷口呈淺藍色，因此，推斷出此處為裂紋源，最先產生貫穿裂紋，發生泄漏，20G 管產生的鐵銹附著在焊縫斷口及法蘭內壁。

圖2 斷口宏觀形貌

3.6 微觀分析

（1）顯微組織。圖3-a 為垂直焊縫的截面上顯微組織。圖3-a 為20G 管母材顯微組織，鐵素體+珠光體呈帶狀分布，鐵素體晶界存在三次滲碳體，部分珠光體為層片狀，部分已球化，綜合考慮球化評3 級。圖3-b為20G 管熱影響區顯微組織，鐵素體+珠光體，部分斷口處有約0.02mm 深的脫碳層。圖3-c 為焊縫區兩處缺陷，夾渣和層間未熔合，此處易萌生裂紋。圖3-d 為焊縫區顯微組織，奧氏體基體及其上枝晶狀鐵素體，顯示組織腐蝕時，鐵素體容易腐蝕成溝狀，說明已被敏化。圖3-e 為法蘭熱影響區顯微組織，奧氏體+條帶狀鐵素體，此處奧氏體晶粒較母材區長大。圖3-f 為法蘭母材區顯微組織，奧氏體+條帶狀鐵素體，鐵素體同樣容易腐蝕。

圖3 顯微組織

（2）掃描電鏡。圖4 是在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，為河流花樣，解理斷裂的解理斷口，為脆性斷裂。

圖4 斷口微觀形貌

采用能譜儀分析斷口表面及腐蝕產物化學成分，結果見表6。20G 管斷口腐蝕產物和20G 管斷口保持失效件送檢時狀態，未經過有污染的方法處置、未清洗；焊縫斷口經過線切割加工、除油、無水乙醇清洗。從分析結果可以看出，主要元素為基體元素Fe，其他元素依次O、Cr、Ni、Si、Mn、Cu、C 元素，Cr、Ni、Si、Mn、Cu、C 為材料中元素，Si、Cu局部偏析，腐蝕產物主要為氧化物；還含有Ca、Na、K、Al、Cl 等蒸汽系統中常見元素。

表6 能譜測試結果（wt%）

4 結語

管材和法蘭的化學成分符合相應的標準要求，焊材的執行標準不詳，不做判定。管道拉伸試驗的抗拉強度、屈服強度符合要求，斷后伸長率低于標準要求。管道室溫沖擊結果低于標準，斷口為脆性斷口。斷裂處法蘭母材及法蘭側熱影響區硬度在標準要求范圍內，焊縫區硬度高于法蘭的標準要求范圍。

該處管線焊接是存在夾渣、未熔合等缺陷，容易萌生裂紋；管線中局部的銅偏析，會在焊接時導致焊接部位產生裂紋；20G 管道側熱影響區貼近熔合線處，局部完全脫碳成鐵素體，此處強度低于其他部分，在同樣受力的情況下容易斷裂。以上3 個因素共同作用，導致管道斷裂失效。