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(guò)程中,主蒸汽管線水平旁路管道彎頭焊縫側(cè)母材斷裂,且斷裂管道兩側(cè)斷面內(nèi)壁有一層肉眼可見(jiàn)的黑色附著物。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,蒸汽旁路規(guī)格為φ33.4×4.55,材質(zhì)為15CrMoG,吹掃蒸汽壓力為3.8MPa、溫度為396℃。蒸汽吹掃約3d 時(shí),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(jiàn)圖1,斷口處黑色附著物見(jiàn)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
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)斷裂管段旁路現(xiàn)場(chǎng)查看,對(duì)斷裂和附著物原因初步分析探討,并逐項(xiàng)確認(rèn)。
(1)吹掃蒸汽溫度過(guò)高,造成管道超溫,導(dǎo)致材料性能下降并在流量計(jì)重力拉拽作用下產(chǎn)生斷裂,將內(nèi)壁氧化。但經(jīng)調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)工藝操作歷史曲線發(fā)現(xiàn),蒸汽溫度為396℃,無(wú)劇烈波動(dòng),符合工藝要求。
(2)蒸汽旁路管道原材料材質(zhì)、力學(xué)性能不合格,在長(zhǎng)期高溫蒸汽吹掃下,導(dǎo)致材料性能下降,在流量計(jì)重力拉拽作用下產(chǎn)生斷裂,并將內(nèi)壁氧化。需要對(duì)同批原材料進(jìn)行理化、力學(xué)性能分析。
(3)現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn),斷裂旁路管道直徑小,靠近斷裂處有流量計(jì),且旁路管道無(wú)支撐,可能在高溫高壓蒸汽振動(dòng)和流量計(jì)的重力作用下,旁路管道發(fā)生疲勞斷裂。需對(duì)斷裂管段進(jìn)行失效分析。
(4)在熱處理時(shí),管道焊縫溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致材料性能下降,并在流量計(jì)重力拉拽作用下產(chǎn)生斷裂,并將內(nèi)壁氧化。需對(duì)斷裂管段進(jìn)行失效分析。
通過(guò)初步分析探討,需對(duì)同批原材料進(jìn)行進(jìn)一步的理化、力學(xué)性能分析,確定斷裂管段失效的原因??紤]到還有其他單元同樣在蒸汽旁路管線進(jìn)行了蒸汽吹掃,因此在該單元蒸汽旁路流量計(jì)更換時(shí),對(duì)同樣位置管段進(jìn)行切割取樣,分別對(duì)兩組旁路管線進(jìn)行宏觀檢查和理化分析,對(duì)比查找旁路斷裂原因和附著物產(chǎn)生原因。取樣情況見(jiàn)表1。
表1 斷裂管段和正常管段取樣清單
為了便于觀察,對(duì)1# 、2# 樣管壁進(jìn)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(duì)1# 樣管檢查發(fā)現(xiàn),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(xiàn)30°左右的傾斜角,且母材有撕裂的破口,角焊縫本身沒(méi)有裂紋。管材內(nèi)壁解剖后,發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有一層肉眼可見(jiàn)的黑色顯金屬光澤的附著物,部分已經(jīng)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(yuǎn)離斷裂處呈現(xiàn)紅褐色。離斷裂部位較遠(yuǎn)的內(nèi)壁呈黑色,內(nèi)壁無(wú)肉眼可見(jiàn)的附著物。
對(duì)2# 樣管檢查發(fā)現(xiàn),外壁承插焊焊接接頭部位呈明顯的黑色,顏色較深,遠(yuǎn)端呈現(xiàn)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(jiàn)分為三層,外層最厚,向內(nèi)逐漸減薄,見(jiàn)圖4(b)。承插焊焊接接頭部位內(nèi)壁管材內(nèi)壁解剖后,發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有一層肉眼可見(jiàn)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(yuǎn)的內(nèi)壁呈黑褐色,內(nèi)壁無(wú)肉眼可見(jiàn)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(nèi)壁解剖圖
根據(jù)《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》GB/ T4336- 2016 標(biāo)準(zhǔn),使用通道式合金分析儀,對(duì)3 個(gè)樣管進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表2。由表可見(jiàn),3 個(gè)樣品管的化學(xué)成分均符合GB/ T5310- 2017 標(biāo)準(zhǔn)中合金結(jié)構(gòu)鋼15CrMoG 成分要求。
表2 3 個(gè)樣品管的化學(xué)成分分析結(jié)果(wt%)
對(duì)3 個(gè)樣管取樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表3 所示。由表可見(jiàn),1# 樣管和 2# 樣管結(jié)果不符合GB/ T5310- 2017 標(biāo)準(zhǔn)中合金結(jié)構(gòu)鋼15CrMoG 標(biāo)準(zhǔn)要求,3# 樣管符合GB/ T5310- 2017 標(biāo)準(zhǔn)中合金結(jié)構(gòu)鋼15CrMoG 標(biāo)準(zhǔn)要求。
表3 3 個(gè)樣品管的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果
對(duì)1# 、2# 樣管進(jìn)行金相檢驗(yàn),并按照GB/ T5310的規(guī)定進(jìn)行了非金屬夾雜物、晶粒度、顯微硬度等檢測(cè)。
2.4.1 金相組織
金相組織檢驗(yàn)結(jié)果如圖5 和圖6 所示。由圖5 可見(jiàn),1# 樣管的氧化層區(qū)顯微組織為貝氏體,含有少量魏氏體,在樣管外壁、中間及內(nèi)壁均檢測(cè)到裂紋和延晶開(kāi)裂。2# 樣管氧化層區(qū)的顯微組織為珠光體+ 鐵素體,在樣管外壁檢測(cè)到脫碳層1.2mm。1# 和2# 樣管中間和遠(yuǎn)端區(qū)取樣觀察顯微組織均為鐵素體,已嚴(yán)重球化,球化均在5 級(jí),見(jiàn)圖6。
圖5 1#樣管氧化層區(qū)金相
圖6 1#和2#樣管球化5 級(jí)
2.4.2 非金屬夾雜物
分別對(duì)1# 、2# 樣管進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè),1# 樣管檢測(cè)出非金屬夾雜物B 類2.0 級(jí),2# 樣管未檢測(cè)出明顯的非金屬夾雜物,二者均符合GB/ T5310- 2017 標(biāo)準(zhǔn)中合金結(jié)構(gòu)鋼15CrMoG 要求。
2.4.3 晶粒度
分別對(duì)1# 、2# 樣管的氧化層區(qū)及中間區(qū)域進(jìn)行晶粒度檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 1#和2#樣管的晶粒度檢測(cè)結(jié)果
2.4.4 顯微硬度
分別對(duì)1# 、2# 、3# 樣管進(jìn)行顯微硬度檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。由表可見(jiàn),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(biāo)準(zhǔn)中合金結(jié)構(gòu)鋼15CrMoG 要求。1# 和2# 樣管其他區(qū)域的硬度雖然符合GB/ T5310- 2017 標(biāo)準(zhǔn)中合金結(jié)構(gòu)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(yàn)的結(jié)果看,材料經(jīng)歷高溫過(guò)程后,1# 樣管斷裂部位硬度偏高,晶粒度粗大,力學(xué)拉伸也反映出塑性嚴(yán)重下降,金相組織發(fā)生變化,說(shuō)明經(jīng)歷了完全相變,此溫度在727~900℃之間。2# 樣管也經(jīng)歷了高溫,而且發(fā)生了外壁脫碳,脫碳和球化一般在500℃以上就會(huì)發(fā)生。
表5 1#、2#和3#樣管的顯微硬度檢測(cè)結(jié)果
對(duì)1# 、2# 樣管內(nèi)壁氧化層進(jìn)行取樣和破碎,使用X 射線衍射儀(XRD)對(duì)氧化層的成分進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如表6 所示。由表可見(jiàn),兩個(gè)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(nèi)壁氧化層的XRD 分析結(jié)果
對(duì)1# 樣管斷口除銹去污后進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)分析,結(jié)果如圖7 所示。對(duì)局部進(jìn)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(xiàn)出許多不同高度的相互平行的解理面之間的臺(tái)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
對(duì)1# 、2# 樣管氧化層分別進(jìn)行能譜成分分析(EDS),結(jié)果如表7 所示。由表可見(jiàn),1# 和2# 樣管樣管中的O 元素主要分布在中間氧化層和內(nèi)壁氧化層區(qū);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(shù)據(jù)
組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)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?yàn)橹楣怏w球化和溫度密切相關(guān),對(duì)于低Cr 的合金鋼,要產(chǎn)生CrFe 化合物一般需要625~650℃以上的溫度。從內(nèi)壁氧化皮厚度約1mm 厚度可以估算,爐管在運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)際溫度。對(duì)于含1%~3%Cr 的低合金耐熱鋼來(lái)說(shuō),氧化層厚度和Larson- Miller 參數(shù)相關(guān)聯(lián),根據(jù)Larson- Miller參數(shù)表達(dá)式估算爐管管壁實(shí)際運(yùn)行溫度約864℃。
靠近焊縫、氧化嚴(yán)重的部位有脫碳層,晶粒度粗大,中間氧化層較稀薄區(qū)域與遠(yuǎn)端區(qū)域均為鐵素體,球化嚴(yán)重。球化的程度與硬度檢測(cè)規(guī)律一致,球化嚴(yán)重處硬度下降25%左右。
對(duì)1# 斷裂樣管采用CASERII 和有限元建模進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,并考慮流量計(jì)的自重和工作參數(shù),斷裂部位的薄膜應(yīng)力+ 彎曲應(yīng)力約在21.98MPa 左右,最大應(yīng)力部位位于9 點(diǎn)鐘方向,與斷裂的部位基本吻合。由于靠近焊縫、氧化嚴(yán)重的管子母材力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)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(qiáng)度比推算,400℃下材料屈服強(qiáng)度約為55MPa、抗拉強(qiáng)度120MPa。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷該斷裂屬于脆性斷裂,且裂紋延晶開(kāi)裂,是因?yàn)椴牧辖?jīng)歷高溫,發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)化,冷卻時(shí)成為鐵素體或馬氏體;且流量計(jì)和旁路無(wú)支撐,蒸汽吹掃時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生的疊加應(yīng)力超過(guò)材料極限,從而導(dǎo)致解理斷裂。
根據(jù)材料性能變化的部位和趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)越靠近管端,氧化越嚴(yán)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(xù)3d 時(shí)間都不可能產(chǎn)生1mm 厚氧化皮,只有材料加工和焊熱處理過(guò)程中才會(huì)有超溫的可能。
(1)管材制造時(shí)是整體熱處理,如果超溫將出現(xiàn)大范圍氧化,但從樣管檢測(cè)結(jié)果判斷,其他部位沒(méi)氧化情況。
(2)安裝時(shí),由于該處管段長(zhǎng)度很短,會(huì)采用切割等工序,但不同單元位置同時(shí)出現(xiàn)類似情況,可以排除火焰切割導(dǎo)致的的可能。同時(shí),焊接過(guò)程時(shí)間較短,不具備產(chǎn)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(cè)一定范圍,氧化皮顏色呈對(duì)稱分布,應(yīng)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(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致。
綜上所述,材料經(jīng)歷遠(yuǎn)超使用溫度上限的熱加工過(guò)程,且持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間,導(dǎo)致組織發(fā)生變化,材料球化嚴(yán)重,致使力學(xué)性能嚴(yán)重下降。同時(shí),該處由于內(nèi)壓和閥門自重導(dǎo)致的應(yīng)力水平接近材料的屈服極限,在蒸汽吹掃時(shí),由于流速流量的變化,產(chǎn)生喘振和振動(dòng),產(chǎn)生的附加應(yīng)力疊加內(nèi)應(yīng)力等超過(guò)材料許用應(yīng)力,導(dǎo)致了管道破裂。
根據(jù)分析結(jié)果制定了整改措施,對(duì)旁路管線進(jìn)行更換,焊接后采取可靠的熱處理方案并嚴(yán)格監(jiān)控?zé)崽幚頊囟群蜁r(shí)間,并在旁路管道流量計(jì)處增設(shè)支撐。整改后重新吹掃、投運(yùn)至目前,蒸汽旁路管線未出現(xiàn)此類問(wèn)題。