分享：中压蒸汽管道开裂原因

中压蒸汽管道是指压力为1.6~10 MPa的蒸汽管道，广泛应用于工业生产和城市供热等领域。中压蒸汽管道常用于供热系统，贯穿整个城市枢纽，因此管道的安全运行至关重要[1]。蒸汽管道的泄漏事故时有发生，分析研究蒸汽管道泄漏原因有助于减小损失、保障民生和消除隐患等。中压蒸汽管道易发生氢脆、H2S应力腐蚀开裂、疲劳破坏等问题，其中疲劳往往会造成突发事故，裂纹扩展速率加快，金属材料的疲劳极限大大降低，造成蒸汽管道发生早期泄漏。 

某工厂中压蒸汽管道于1993年建造，1996年投入使用，2021年使用过程中发生泄漏，为了保障管道连续运行，对其进行了带压堵漏。2022年大检修期间更换了带压堵漏的三通。开裂管道的基本参数如表1所示。该装置在运行的前几年多次出现中压蒸汽管道短时超温的情况，温度最高达到470 ℃，远超设计温度420 ℃，由于超温时间较短，很快就恢复正常，并未引起工艺安全人员的注意。笔者采用一系列理化检验方法分析了该蒸汽管道开裂的原因，以避免类似问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

从开裂管道上取长度约为810 mm的样管进行分析，结果如图1所示。由图1可知：管道外壁呈棕褐色，存在打磨痕迹，打磨痕迹处的外壁呈黄色，且外壁存在腐蚀坑；三通连接的管道内部也发现了密集的表面裂纹，部分裂纹横纵交错，呈龟裂状，龟裂裂纹约占管道周长的1/3，大部分裂纹集中在管道下部，且管道内壁附着有铁锈色垢物，垢物厚度约为0.4 mm，内壁存在腐蚀坑；管道内壁焊缝成形较好，无明显焊接缺陷；从管道横截面观察，管壁无明显减薄现象。 

图  1  开裂管道的宏观形貌

沿裂纹人工打开，以裂纹面为检验面，断口的宏观形貌如图2所示。由图2可知：断口断面粗糙，呈黑色，起伏较小，由内向外依次为启裂区、扩展区、裂纹尖端、人为撕裂区；断面存在贝壳状条纹，收弧方向指向管内壁，为多源启裂，启裂区断面起伏略大、呈灰黑色，存在明显由内向外的扩展条纹；扩展区断面粗糙，呈灰色，存在金属小颗粒；裂纹尖端为弧线区域，存在白色撕裂棱。 

图  2  断口宏观形貌

1.2   渗透检测

依据NB/T 47013.5—2015 《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》的要求，对开裂管道进行渗透检测，结果如图3所示。由图3可知：管道外壁未发现裂纹缺陷，只存在少量腐蚀坑及焊疤；管道内壁存在较多的裂纹及腐蚀坑，呈断续状，以纵向扩展为主，裂纹存在微小分叉，呈龟裂状，部分裂纹处存在腐蚀坑；裂纹区域纵向长度约为130 mm，宽度约占管道周长的2/3，中部不连续环向裂纹长度约为195 mm；焊接接头仅熔合线区域存在裂纹，母材区域部位完好。 

图  3  开裂管道渗透检测结果

1.3   化学成分分析

依据GB/T 4336—2016 《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》的要求，分别对开裂管道母材、焊缝进行化学成分分析，结果如表2所示。由表2可知：开裂管道母材和焊缝的化学成分符合API SPEC 5L—2020 《管线钢管规范》的要求。 

1.4   力学性能测试

在开裂管道上取样，对试样进行拉伸和冲击试验，结果如表3所示。由表3可知：管道的室温拉伸性能满足API SPEC 5L—2020的要求；470 ℃拉伸性能不满足API SPEC 5L—2020的要求。 

1.5   金相检验

在管道母材、焊缝、热影响区截取试样，对试样进行金相检验，结果如图4所示。由图4可知：母材组织为铁素体+珠光体，珠光体球化级别为2.5级，裂纹由管内壁向外壁扩展，存在细小分叉，以穿晶开裂为主，裂纹内充满灰色产物；热影响区组织为铁素体+珠光体+贝氏体，裂纹由管内壁向外壁扩展，内壁裂纹较直，存在细小分叉，以穿晶开裂为主，裂纹内充满灰色产物；焊缝组织为铁素体+珠光体+贝氏体。 

图  4  开裂管道的显微组织形貌

依据裂纹分布形态，利用光学显微镜对裂纹的微观形貌进行观察，结果如图5所示。 

图  5  裂纹的微观形貌

1.6   扫描电镜（SEM）及能谱分析

采用扫描电镜对断口进行分析，结果如图6所示。由图6可知：启裂区断面附着有较多颗粒状、块状氧化物，氧化物与金属基体紧密结合、难以清洗；扩展区存在疲劳辉纹，呈疲劳开裂特征；裂纹尖端存在疲劳辉纹，呈疲劳开裂特征。 

图  6  断口SEM形貌

对裂纹表面垢物和内壁垢物进行能谱分析，结果如图7，8所示。由图7，8可知：裂纹表面垢物含有较多的Fe、O、C元素，以及少量Mn、Si、Ti、S、Cl等元素；内壁垢物含有较多的Fe、O、C元素，以及少量Mn、Si、S、Al、Ca等元素。 

图  7  裂纹表面垢物能谱分析结果

图  8  内壁垢物能谱分析结果

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：管道的化学成分、室温拉伸性能等均符合相关标准要求，非金属夹杂物以颗粒状为主；管道组织为铁素体+珠光体，管道珠光体球化等级为2.5级，为轻度球化。 

管道外壁附着的红褐色、黄色垢物为管道暴露在潮湿环境中产生的腐蚀产物，而内壁附着的片状、块状垢物大部分为介质与金属基体发生反应产生的腐蚀产物。内、外壁垢物中均含有较多的Fe、O、C元素，使热疲劳裂纹内部呈灰色，且表面区域可提取出氧化物质。发生H2S应力腐蚀的条件为，湿H2S的分压大于0.000 3 MPa，温度低于82 ℃。中压蒸汽中湿H2S的含量很少，且断口上S元素含量很少，其操作温度为400 ℃，不满足H2S应力腐蚀的条件，表明管子的开裂与H2S应力腐蚀无关。 

开裂主要沿着管体轴线方向，即与管体的最大环向应力方向垂直。管体开裂边缘平直，无明显的塑性变形和撕裂痕迹，呈脆性开裂特征[2-3]。断口扩展区呈脆性开裂特征，裂纹尖端存在取向一致、排列整齐的疲劳辉纹。裂纹笔直向前扩展，未见应力腐蚀裂纹的树枝状分叉特征，裂纹的后部张开较大，里面有高温氧化产物，说明该疲劳裂纹为高温条件下的高温疲劳或者热疲劳所致。 

该开裂管道已运行26 a，服役期间每1~2 a进行停车检修，多次的开、停车使管壁升温、降温、升压、降压，温度多次变化导致材料塑性变差，易产生热疲劳裂纹。同时，在服役过程中多次发生瞬时超温，最高温度为470 ℃，使材料的抗拉强度由445 MPa下降至310 MPa，屈服强度由318 MPa下降至229 MPa，降幅较大，低于标准要求。 

在服役过程中，管道存在通气量波动或混合区域混合不完全等情况，当通气量较少，或者混合不完全时，管壁温度下降；当通气量较大时，水量减少、管壁温度急速上升，如此往复，产生了循环热应力，使材料易发生热疲劳损伤。现场管道开裂位置也集中在管道底部，裂纹始发于受热表面热应变最大的区域，裂纹垂直于应力方向由表面向壁厚深度方向扩展，受热表面产生特有的龟裂裂纹，以单个或多个裂纹的形式出现，裂纹通常较短、较宽，呈匕首状，分支少，以穿晶开裂为主，裂纹缝隙多充满高温氧化物，呈多源热疲劳裂纹特征[4-6]。综上所述，该中压蒸汽管线的开裂性质为多源热疲劳开裂。 

3.   结论及建议

在管道服役过程中，管道内通气量不均匀、混合区域混合不完全，使材料产生循环热应力，最终导致中压蒸汽管道发生热疲劳开裂。 

建议在服役过程中保证管道内通气量足够，避免形成温差热应力，进而避免发生热疲劳腐蚀。同时，建议加强对该类似工况管道的检验检测。

文章来源——材料与测试网