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(深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院, 深圳 518029)

導(dǎo)熱油管斷裂失效分析

彭家政,陳煒,邱康勇,張杰

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院, 深圳 518029)

某公司一根導(dǎo)熱油管在使用過程中發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗、硬度測試、斷口分析等方法，對導(dǎo)熱油管的斷裂原因進行了分析。結(jié)果表明：導(dǎo)熱油管經(jīng)歷了高碳鐵液修補，使材料的脆性增大；在外力作用下導(dǎo)熱油管于薄壁處發(fā)生開裂，引起導(dǎo)熱油泄漏；在導(dǎo)熱油壓的作用下，導(dǎo)熱油管沿橫截面發(fā)生脆性斷裂。

導(dǎo)熱油管；斷裂；高碳鐵液修補；熱力作用

某公司一根導(dǎo)熱油管在使用過程中發(fā)生斷裂，導(dǎo)致導(dǎo)熱油泄漏，造成火災(zāi)事故。該導(dǎo)熱油管投入使用時間約為10 a(年)，規(guī)格為φ108 mm×4.5 mm，標(biāo)稱材料為20鋼。導(dǎo)熱油管設(shè)計壓力為1.1 MPa，設(shè)計溫度為320 ℃，實際使用壓力為0.3 MPa，實際使用溫度為220 ℃。導(dǎo)熱油管高空水平放置，距地面高度為3.7 m，用支吊架進行支撐。導(dǎo)熱油管斷裂部位為兩支吊架間直管段的中間部位，兩支吊架間距為3 m。導(dǎo)熱油管外壁覆蓋保溫層，保溫材料為巖棉，外層用鋁皮纏繞。為了查明該導(dǎo)熱油管的斷裂失效原因，筆者對其進行了一系列理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1 導(dǎo)熱油管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the heat-transfer oil pipe

圖2 導(dǎo)熱油管斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface of the heat-transfer oil pipe

斷裂導(dǎo)熱油管宏觀形貌如圖1所示，外表面有燒熏痕跡。圖2為導(dǎo)熱油管斷口形貌，其中：A區(qū)為縱向斷口，斷口兩側(cè)錯位，形成一個凹坑，斷口最小厚度只有1.2 mm，開裂長度為47 mm；B區(qū)為橫向斷口，貫穿整個橫截面，斷口較為平齊，壁厚嚴(yán)重不均；C區(qū)也為橫向斷口，可見管內(nèi)有一堆積物，已與管壁熔為一體，高度約為28 mm，寬度約為850 mm。導(dǎo)熱油管另一端壁厚為4.0～4.5 mm，壁厚正常。

1.2 化學(xué)成分分析

采用臺式光譜儀對導(dǎo)熱油管內(nèi)壁、外壁及斷口堆積物進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明：導(dǎo)熱油管外壁的碳元素含量稍低于GB/T 3087-2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》對20鋼的技術(shù)要求，而導(dǎo)熱油管內(nèi)壁的碳元素含量嚴(yán)重超標(biāo)，堆積物中的碳含量和磷含量未檢出具體數(shù)值，其他元素含量均符合GB/T 3087-2008的技術(shù)要求。

表1 導(dǎo)熱油管化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the heat-transfer oil pipe (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

分別在導(dǎo)熱油管斷口部位(試樣1)、遠離斷口位置(試樣2)及堆積物上(試樣3)截取縱截面試樣，取樣部位見圖1，經(jīng)鑲嵌、磨拋后，用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進行侵蝕，金相檢驗結(jié)果如圖3～5所示。

圖4 試樣2顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of specimen 2: a) at low magnification; b) outer wall; c) inner wall

圖5 試樣3顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of specimen 3: a) at low magnification; b) at high magnification

由圖3可知，試樣1的內(nèi)壁和外壁出現(xiàn)了不同的顯微組織。外壁顯微組織為鐵素體+珠光體，且存在魏氏組織[1]，內(nèi)壁出現(xiàn)針狀馬氏體和網(wǎng)狀碳化物，這和內(nèi)壁化學(xué)成分中碳含量偏高相吻合。鐵素體和珠光體具有較好的韌性和塑性，而針狀馬氏體和網(wǎng)狀碳化物會使材料變脆[2]。

由圖4可知，試樣2的顯微組織分布與試樣1的基本相似，表明整個導(dǎo)熱油管沿長度方向的顯微組織分為內(nèi)外兩部分。

由圖5可知，試樣3的顯微組織為鐵素體+珠光體+碳化物，組織分布不均勻，為典型的液態(tài)凝固組織[3]。

1.4 硬度測試

對試樣1和試樣2的內(nèi)外壁進行維氏硬度測試，載荷為49 N，測試結(jié)果見表2。結(jié)果表明：試樣1和試樣2的外壁硬度均比內(nèi)壁硬度要低，且差異較大，與金相檢驗結(jié)果相吻合。

1.5 斷口分析

將圖2中B區(qū)橫向斷口和A區(qū)縱向斷口分別切取下來，經(jīng)清洗、干燥后，置于SU-1500型電子掃描顯微鏡內(nèi)進行觀察。

表2 試樣1和試樣2維氏硬度測試結(jié)果Tab.2 Testing results of Vickers hardness ofspecimen 1 and specimen 2 HV5

圖6為B區(qū)橫向斷口形貌，其中：圖6a)中可見斷口明顯分層；I區(qū)為導(dǎo)熱油管內(nèi)壁，可見大量扇形解理面及密排針狀馬氏體的層狀解理形貌，見圖6b)；II區(qū)為導(dǎo)熱油管外壁，可見解理面及韌性撕裂棱，呈準(zhǔn)解理斷裂特征[4]，見圖6c)。圖7為A區(qū)縱向斷口形貌，為一次性解理斷裂，與B區(qū)橫向斷口形貌相似，但中間無明顯分層。

2 分析與討論

該導(dǎo)熱油管內(nèi)外壁碳元素含量差異較大，顯微組織明顯分層，表明該導(dǎo)熱油管內(nèi)外壁由兩種不同工藝加工而成。導(dǎo)熱油管橫向斷口平齊，為脆性解理斷口，斷口厚薄不均，差異較大，最薄處厚度僅為1.2 mm。考慮到其管內(nèi)介質(zhì)為導(dǎo)熱油，工作壓力為0.3 MPa，流速較低，管道磨損較小，且該導(dǎo)熱油管斷裂位置位于管段中間部位，應(yīng)為均勻磨損，不應(yīng)造成直管中間部位嚴(yán)重減薄現(xiàn)象。查閱近年來導(dǎo)熱油檢測報告，未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱油嚴(yán)重變質(zhì)情況，且導(dǎo)熱油管斷口附近未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕減薄現(xiàn)象，導(dǎo)熱油管壁厚嚴(yán)重不均應(yīng)在安裝使用前就已存在。導(dǎo)熱油管內(nèi)堆積物和管壁熔為一體，高度約為28 mm，寬度約為850 mm。結(jié)合化學(xué)成分及以上分析可知，該堆積物應(yīng)該在管道安裝使用前就已存在于管內(nèi)，非安裝使用中的產(chǎn)生物。

結(jié)合化學(xué)成分分析、金相檢驗、壁厚測量情況、堆積物分布情況及市場導(dǎo)熱油管的加工工藝，可以推斷出該導(dǎo)熱油管內(nèi)壁經(jīng)過高碳鐵液修補增厚，管內(nèi)堆積物為修補時殘留在管內(nèi)的高碳鐵液焊瘤。

在進行高碳鐵液修補時，導(dǎo)熱油管易產(chǎn)生魏氏組織(過熱組織)及脫碳現(xiàn)象，使20無縫鋼管的性能降低。經(jīng)高碳鐵液修補后，20無縫鋼管的外層組織為鐵素體+珠光體，且存在魏氏組織。從導(dǎo)熱油管內(nèi)壁的金相檢驗結(jié)果可知，高碳修補層雖能增加壁厚、提高耐磨性，但修補產(chǎn)生了網(wǎng)狀碳化物及針狀馬氏體，使材料變脆。同時由于導(dǎo)熱油管長期在220 ℃下運行，材料經(jīng)歷了長期低溫回火，導(dǎo)熱油管脆性不斷增加[5]。

3 結(jié)論及建議

(1) 導(dǎo)熱油管內(nèi)外壁兩側(cè)化學(xué)成分碳含量差異較大，內(nèi)壁用高碳鐵液進行過修補。導(dǎo)熱油管外壁顯微組織為鐵素體+珠光體，存在魏氏組織，內(nèi)壁修補層顯微組織為針狀馬氏體和網(wǎng)狀碳化物。

(2) 導(dǎo)熱油管縱向斷口和橫向斷口均為解理脆性斷裂，橫向斷口外側(cè)出現(xiàn)明顯的撕裂棱。

(3) 該導(dǎo)熱油管壁厚不均勻，修補層脆性較大。在長期低溫回火的作用下，導(dǎo)熱油管脆性增大。在外力作用下導(dǎo)熱油管于薄壁處發(fā)生一次性脆性開裂，且在導(dǎo)熱油壓的作用下引起了橫向解理斷裂。

(4) 建議導(dǎo)熱油管在投入使用前進行抽查檢驗，包括外觀、壁厚、化學(xué)成分、顯微組織、硬度等，確保導(dǎo)熱油管的質(zhì)量符合使用要求。

[1] 陳利濤.軋鋼加熱爐爐底管開裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2012,48(5):342-344.

[2] 張存信,陳玉如.金屬材料斷裂的分析方法[J].理化檢驗-物理分冊,2008,44(11):622-625.

[3] 李炯輝,林德成.金屬材料金相圖譜[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[4] 汪瑞俊,王越,陳聯(lián)滿.1Cr18Ni9Ti不銹鋼輸油管道開裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2010,46(9): 586-588.

[5] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004:350-352.

FractureFailureAnalysisofaHeat-TransferOilPipe

PENGJiazheng,CHENWei,QIUKangyong,ZHANGJie

(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test, Shenzhen 518029, China)

A heat-transfer oil pipe of a company fractured during use. The methods of macroscopic observation, chemical composition analysis, metallographic inspection, hardness testing and fracture analysis were used to analyze fracture reasons of the heat-transfer oil pipe. The results show that: the heat-transfer oil pipe was repaired by liquid iron containing high carbon, and it increased the brittleness of the material; under the exogenic action, the heat transfer pipe cracked at the position of the thin wall, which led to the heat-transfer oil leak; under the action of the heat-transfer oil pressure, the heat-transfer oil pipe cracked along the cross section.

heat-transfer oil pipe; fracture; repair by liquid iron containing high carbon; thermodynamic action

10.11973/lhjy-wl201711017

TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0837-04

2016-12-16

彭家政(1965-),男,高級工程師,主要從事鍋爐、壓力容器及壓力管道檢驗工作，1253022143@qq.com