Table 1. 開裂蒸汽管道的基本參數
| 零件名稱 | 規格（外徑×壁厚）/(mm×mm) | 設計壓力/MPa | 設計溫度/℃ | 接觸介質 | 操作壓力/MPa | 操作溫度/℃ | 材料 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 中壓蒸汽管道 | 457×25 | 4.7 | 420 | 中壓蒸汽 | 4.0 | 400 | API5L.GRB-EFW鋼 |
分享：中壓蒸汽管道開裂原因
中壓蒸汽管道是指壓力為1.6~10 MPa的蒸汽管道，廣泛應用于工業生產和城市供熱等領域。中壓蒸汽管道常用于供熱系統，貫穿整個城市樞紐，因此管道的安全運行至關重要[1]。蒸汽管道的泄漏事故時有發生，分析研究蒸汽管道泄漏原因有助于減小損失、保障民生和消除隱患等。中壓蒸汽管道易發生氫脆、H2S應力腐蝕開裂、疲勞破壞等問題，其中疲勞往往會造成突發事故，裂紋擴展速率加快，金屬材料的疲勞極限大大降低，造成蒸汽管道發生早期泄漏。
某工廠中壓蒸汽管道于1993年建造，1996年投入使用，2021年使用過程中發生泄漏，為了保障管道連續運行，對其進行了帶壓堵漏。2022年大檢修期間更換了帶壓堵漏的三通。開裂管道的基本參數如表1所示。該裝置在運行的前幾年多次出現中壓蒸汽管道短時超溫的情況，溫度最高達到470 ℃，遠超設計溫度420 ℃，由于超溫時間較短，很快就恢復正常，并未引起工藝安全人員的注意。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該蒸汽管道開裂的原因，以避免類似問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
從開裂管道上取長度約為810 mm的樣管進行分析，結果如圖1所示。由圖1可知：管道外壁呈棕褐色，存在打磨痕跡，打磨痕跡處的外壁呈黃色，且外壁存在腐蝕坑；三通連接的管道內部也發現了密集的表面裂紋，部分裂紋橫縱交錯，呈龜裂狀，龜裂裂紋約占管道周長的1/3，大部分裂紋集中在管道下部，且管道內壁附著有鐵銹色垢物，垢物厚度約為0.4 mm，內壁存在腐蝕坑；管道內壁焊縫成形較好，無明顯焊接缺陷；從管道橫截面觀察，管壁無明顯減薄現象。
圖 1 開裂管道的宏觀形貌
沿裂紋人工打開，以裂紋面為檢驗面，斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口斷面粗糙，呈黑色，起伏較小，由內向外依次為啟裂區、擴展區、裂紋尖端、人為撕裂區；斷面存在貝殼狀條紋，收弧方向指向管內壁，為多源啟裂，啟裂區斷面起伏略大、呈灰黑色，存在明顯由內向外的擴展條紋；擴展區斷面粗糙，呈灰色，存在金屬小顆粒；裂紋尖端為弧線區域，存在白色撕裂棱。
圖 2 斷口宏觀形貌
1.2 滲透檢測
依據NB/T 47013.5—2015 《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》的要求，對開裂管道進行滲透檢測，結果如圖3所示。由圖3可知：管道外壁未發現裂紋缺陷，只存在少量腐蝕坑及焊疤；管道內壁存在較多的裂紋及腐蝕坑，呈斷續狀，以縱向擴展為主，裂紋存在微小分叉，呈龜裂狀，部分裂紋處存在腐蝕坑；裂紋區域縱向長度約為130 mm，寬度約占管道周長的2/3，中部不連續環向裂紋長度約為195 mm；焊接接頭僅熔合線區域存在裂紋，母材區域部位完好。
圖 3 開裂管道滲透檢測結果
1.3 化學成分分析
依據GB/T 4336—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（常規法）》的要求，分別對開裂管道母材、焊縫進行化學成分分析，結果如表2所示。由表2可知：開裂管道母材和焊縫的化學成分符合API SPEC 5L—2020 《管線鋼管規范》的要求。
Table 2. 開裂管道母材、焊縫的化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Mn | P | S | Si | V | Nb | Ti | |
| 母材實測值 | 0.15 | 0.75 | 0.011 | 0.004 | 0.21 | 0.004 | <0.001 | 0.001 |
| 焊縫實測值 | 0.10 | 1.11 | 0.011 | 0.005 | 0.22 | 0.004 | <0.001 | 0.001 |
| 標準值 | ≤0.28 | ≤1.20 | ≤0.03 | ≤0.03 | - | Nb+V≤0.06，Nb+V+Ti≤0.15 | ||
1.4 力學性能測試
在開裂管道上取樣，對試樣進行拉伸和沖擊試驗，結果如表3所示。由表3可知：管道的室溫拉伸性能滿足API SPEC 5L—2020的要求；470 ℃拉伸性能不滿足API SPEC 5L—2020的要求。
Table 3. 開裂管道力學性能測試結果
| 項目 | 拉伸試驗 | 沖擊試驗 | ||
|---|---|---|---|---|
| 試驗溫度/℃ | 抗拉強度/MPa | 屈服強度/MPa | 沖擊吸收能量/J | |
| 實測值 | 室溫 | 448，441 | 324，313 | 194.5，179.5，140.5 |
| 470 | 310 | 229 | ||
| 標準值 | - | ≥415 | ≥245 | - |
1.5 金相檢驗
在管道母材、焊縫、熱影響區截取試樣，對試樣進行金相檢驗，結果如圖4所示。由圖4可知：母材組織為鐵素體+珠光體，珠光體球化級別為2.5級，裂紋由管內壁向外壁擴展，存在細小分叉，以穿晶開裂為主，裂紋內充滿灰色產物；熱影響區組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，裂紋由管內壁向外壁擴展，內壁裂紋較直，存在細小分叉，以穿晶開裂為主，裂紋內充滿灰色產物；焊縫組織為鐵素體+珠光體+貝氏體。
圖 4 開裂管道的顯微組織形貌
依據裂紋分布形態，利用光學顯微鏡對裂紋的微觀形貌進行觀察，結果如圖5所示。
圖 5 裂紋的微觀形貌
1.6 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
采用掃描電鏡對斷口進行分析，結果如圖6所示。由圖6可知：啟裂區斷面附著有較多顆粒狀、塊狀氧化物，氧化物與金屬基體緊密結合、難以清洗；擴展區存在疲勞輝紋，呈疲勞開裂特征；裂紋尖端存在疲勞輝紋，呈疲勞開裂特征。
圖 6 斷口SEM形貌
對裂紋表面垢物和內壁垢物進行能譜分析，結果如圖7，8所示。由圖7，8可知：裂紋表面垢物含有較多的Fe、O、C元素，以及少量Mn、Si、Ti、S、Cl等元素；內壁垢物含有較多的Fe、O、C元素，以及少量Mn、Si、S、Al、Ca等元素。
圖 7 裂紋表面垢物能譜分析結果
圖 8 內壁垢物能譜分析結果
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知：管道的化學成分、室溫拉伸性能等均符合相關標準要求，非金屬夾雜物以顆粒狀為主；管道組織為鐵素體+珠光體，管道珠光體球化等級為2.5級，為輕度球化。
管道外壁附著的紅褐色、黃色垢物為管道暴露在潮濕環境中產生的腐蝕產物，而內壁附著的片狀、塊狀垢物大部分為介質與金屬基體發生反應產生的腐蝕產物。內、外壁垢物中均含有較多的Fe、O、C元素，使熱疲勞裂紋內部呈灰色，且表面區域可提取出氧化物質。發生H2S應力腐蝕的條件為，濕H2S的分壓大于0.000 3 MPa，溫度低于82 ℃。中壓蒸汽中濕H2S的含量很少，且斷口上S元素含量很少，其操作溫度為400 ℃，不滿足H2S應力腐蝕的條件，表明管子的開裂與H2S應力腐蝕無關。
開裂主要沿著管體軸線方向，即與管體的最大環向應力方向垂直。管體開裂邊緣平直，無明顯的塑性變形和撕裂痕跡，呈脆性開裂特征[2-3]。斷口擴展區呈脆性開裂特征，裂紋尖端存在取向一致、排列整齊的疲勞輝紋。裂紋筆直向前擴展，未見應力腐蝕裂紋的樹枝狀分叉特征，裂紋的后部張開較大，里面有高溫氧化產物，說明該疲勞裂紋為高溫條件下的高溫疲勞或者熱疲勞所致。
該開裂管道已運行26 a，服役期間每1~2 a進行停車檢修，多次的開、停車使管壁升溫、降溫、升壓、降壓，溫度多次變化導致材料塑性變差，易產生熱疲勞裂紋。同時，在服役過程中多次發生瞬時超溫，最高溫度為470 ℃，使材料的抗拉強度由445 MPa下降至310 MPa，屈服強度由318 MPa下降至229 MPa，降幅較大，低于標準要求。
在服役過程中，管道存在通氣量波動或混合區域混合不完全等情況，當通氣量較少，或者混合不完全時，管壁溫度下降；當通氣量較大時，水量減少、管壁溫度急速上升，如此往復，產生了循環熱應力，使材料易發生熱疲勞損傷。現場管道開裂位置也集中在管道底部，裂紋始發于受熱表面熱應變最大的區域，裂紋垂直于應力方向由表面向壁厚深度方向擴展，受熱表面產生特有的龜裂裂紋，以單個或多個裂紋的形式出現，裂紋通常較短、較寬，呈匕首狀，分支少，以穿晶開裂為主，裂紋縫隙多充滿高溫氧化物，呈多源熱疲勞裂紋特征[4-6]。綜上所述，該中壓蒸汽管線的開裂性質為多源熱疲勞開裂。
3. 結論及建議
在管道服役過程中，管道內通氣量不均勻、混合區域混合不完全，使材料產生循環熱應力，最終導致中壓蒸汽管道發生熱疲勞開裂。
建議在服役過程中保證管道內通氣量足夠，避免形成溫差熱應力，進而避免發生熱疲勞腐蝕。同時，建議加強對該類似工況管道的檢驗檢測。
文章來源——材料與測試網
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