許建勛，欒霄，羅寧慧，紀(jì)承祖

（中國(guó)石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210033）

蒸汽系統(tǒng)是石化企業(yè)中重要的公用工程系統(tǒng)，一旦失效將會(huì)造成多個(gè)裝置停工。高溫高壓的蒸汽通過(guò)管道運(yùn)輸，可以利用減溫減壓器降低蒸汽壓力和溫度，以達(dá)到不同裝置的需求。某石化廠蒸汽系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，某處中壓蒸汽管道進(jìn)減溫減壓器前焊縫發(fā)生斷裂。通過(guò)在焊縫斷口處取樣，對(duì)失效部件進(jìn)行化學(xué)成分分析、宏觀分析、微觀分析、力學(xué)性能試驗(yàn)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(zhì)為中壓蒸汽，額定工作溫度420℃，額定工作壓力3.5MPa。管道材質(zhì)為20G，外徑× 壁厚=216×13mm（測(cè)量），執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310-2017；法蘭材質(zhì)為321（0Cr18Ni10Ti），執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) HG/T20592-2009（WN200B-100RJ）。焊材為309，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不詳。該中壓蒸汽流程是將系統(tǒng)3.5MPa 蒸汽通過(guò)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(cè)熔合線斷裂，見(jiàn)圖1。

圖1 失效件取樣

2 分析方法與儀器設(shè)備

本項(xiàng)目主要試驗(yàn)設(shè)備及檢測(cè)方法見(jiàn)表1。

表1 分析方法及儀器設(shè)備

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

3.1 化學(xué)成分分析

分別依據(jù)《GB/T4336-2016 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》《GB/T11170-2008 不銹鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》標(biāo)準(zhǔn)，采用GNR S5 Solaris plus 電火花直讀光譜儀對(duì)20G 管、熔敷金屬、321 法蘭分別進(jìn)行材料化學(xué)成分檢測(cè)，測(cè)3 點(diǎn)取平均值，結(jié)果見(jiàn)表2。數(shù)據(jù)表明，20G 管材料的化學(xué)成分符合GB/T 5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)中20G 材料的要求；321 法蘭材料的化學(xué)成分符合JB 4728-2000 標(biāo)準(zhǔn)中0Cr18Ni10Ti 材料的要求；焊材的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不詳。

表2 化學(xué)成分分析（wt%）

3.2 拉伸試驗(yàn)

依據(jù)《GB/T228.1-2021 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，沿20G 管橫向加工試樣，進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，20G 管常溫的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度符合GB/T 5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)中20G 管要求，斷后伸長(zhǎng)率小于標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 沖擊試驗(yàn)

依據(jù)《GBT229-2020 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，沿20G 管縱向加工試樣，進(jìn)行常溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。結(jié)果表明，20G 管室溫沖擊結(jié)果很低，低于GB/T 5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)中20G 管要求，斷口為脆性斷口。

3.4 硬度測(cè)試

依據(jù)《GB/T4340.1-2009 金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，在垂直管-法蘭焊縫的截面上進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。結(jié)果表明，20G 管母材HV 硬度值在GB/T5310-2017 中20G 管的標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)；20G 管側(cè)熱影響區(qū)HV 硬度值高于GB/T5310-2017 中20G 管的標(biāo)準(zhǔn)要求上限。JB4728-2000 中321(0Cr18Ni10Ti)的標(biāo)準(zhǔn)要求硬度值為HB，無(wú)HV 的要求，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式HB=（HV+10.5）/1.05，可以計(jì)算出HV 的范圍為135 ～186HV，因此，法蘭母材及法蘭側(cè)熱影響區(qū)硬度在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。焊縫區(qū)硬度高于法蘭的標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。

表5 維氏硬度試驗(yàn)結(jié)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(cè)熔合線處產(chǎn)生并沿熔合線擴(kuò)展直至斷裂，整個(gè)斷口都處于熔合線上。圖2-a 中約1/8 周長(zhǎng)斷口銹跡明顯，此處法蘭內(nèi)壁也銹跡明顯，其余部分?jǐn)嗫诩皟?nèi)壁沒(méi)有明顯銹跡，部分無(wú)銹跡的斷口呈淺藍(lán)色，因此，推斷出此處為裂紋源，最先產(chǎn)生貫穿裂紋，發(fā)生泄漏，20G 管產(chǎn)生的鐵銹附著在焊縫斷口及法蘭內(nèi)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(píng)3 級(jí)。圖3-b為20G 管熱影響區(qū)顯微組織，鐵素體+珠光體，部分?jǐn)嗫谔幱屑s0.02mm 深的脫碳層。圖3-c 為焊縫區(qū)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(qū)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(shí)，鐵素體容易腐蝕成溝狀，說(shuō)明已被敏化。圖3-e 為法蘭熱影響區(qū)顯微組織，奧氏體+條帶狀鐵素體，此處奧氏體晶粒較母材區(qū)長(zhǎng)大。圖3-f 為法蘭母材區(qū)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(chǎn)物化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表6。20G 管斷口腐蝕產(chǎn)物和20G 管斷口保持失效件送檢時(shí)狀態(tài)，未經(jīng)過(guò)有污染的方法處置、未清洗；焊縫斷口經(jīng)過(guò)線切割加工、除油、無(wú)水乙醇清洗。從分析結(jié)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(chǎn)物主要為氧化物；還含有Ca、Na、K、Al、Cl 等蒸汽系統(tǒng)中常見(jiàn)元素。

表6 能譜測(cè)試結(jié)果（wt%）

4 結(jié)語(yǔ)

管材和法蘭的化學(xué)成分符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，焊材的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不詳，不做判定。管道拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度符合要求，斷后伸長(zhǎng)率低于標(biāo)準(zhǔn)要求。管道室溫沖擊結(jié)果低于標(biāo)準(zhǔn)，斷口為脆性斷口。斷裂處法蘭母材及法蘭側(cè)熱影響區(qū)硬度在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，焊縫區(qū)硬度高于法蘭的標(biāo)準(zhǔn)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(huì)在焊接時(shí)導(dǎo)致焊接部位產(chǎn)生裂紋；20G 管道側(cè)熱影響區(qū)貼近熔合線處，局部完全脫碳成鐵素體，此處強(qiáng)度低于其他部分，在同樣受力的情況下容易斷裂。以上3 個(gè)因素共同作用，導(dǎo)致管道斷裂失效。