高壓渦輪機(jī)組九級(jí)冷卻歧管開(kāi)裂原因分析

李 亮，聶向暉，劉迎來(lái)，豐振軍，許 彥

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司 北京 101100)

0 引 言

奧氏體不銹鋼具有良好的綜合力學(xué)性能、耐腐蝕性及焊接性，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、核反應(yīng)堆等重要工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械裝備中，在其使用過(guò)程中經(jīng)常在高溫、高壓等苛刻條件下服役，并且常常承受交變載荷。這些結(jié)構(gòu)和裝備在高溫和疲勞的作用下，材料極易萌生裂紋并不斷擴(kuò)展，最后引起泄露或爆炸，導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡等。因此，疲勞性能成為影響奧氏體不銹鋼高溫設(shè)備運(yùn)行安全和使用壽命的關(guān)鍵因素。

一般而言，焊縫微觀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常是設(shè)備中較薄弱的部位。在工程應(yīng)用中，大量的焊接接頭失效事故是低周疲勞失效。本文對(duì)西三線某作業(yè)區(qū)高壓渦輪機(jī)組用316不銹鋼九級(jí)冷卻歧管焊接接頭開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析，以預(yù)防該類(lèi)失效事故的再次發(fā)生，保障設(shè)備安全運(yùn)行。

1 冷卻歧管開(kāi)裂概況

西三線某作業(yè)區(qū)技術(shù)人員在對(duì)某高壓渦輪機(jī)組進(jìn)行例行檢查的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分九級(jí)冷卻歧管存在開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖1和圖2所示。隨后，該作業(yè)區(qū)技術(shù)人員采用目視及滲透的方法，對(duì)西三線4臺(tái)機(jī)組所涉及的109根Φ21 mm×2 mm九級(jí)冷卻歧管進(jìn)行了全面檢查，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)共8根九級(jí)冷卻歧管發(fā)生了開(kāi)裂失效。

根據(jù)西三線該作業(yè)區(qū)技術(shù)人員提供的現(xiàn)場(chǎng)資料，該批九級(jí)冷卻歧管中輸送介質(zhì)為空氣，運(yùn)行溫度為122.8 ℃，運(yùn)行壓力為254.2 kPa；該批九級(jí)冷卻歧管于6個(gè)月前投入使用，而其設(shè)計(jì)使用時(shí)間為6 a。為了確保西三線高壓渦輪機(jī)組高效、安全平穩(wěn)運(yùn)行，有效控制運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，抽取其中2根開(kāi)裂的九級(jí)冷卻歧管對(duì)其產(chǎn)生開(kāi)裂原因進(jìn)行分析，該2根開(kāi)裂的九級(jí)冷卻岐管編為1號(hào)和2號(hào)。

圖1 CC3401機(jī)組九級(jí)冷卻歧管開(kāi)裂

圖2 CC3402機(jī)組九級(jí)冷卻歧管開(kāi)裂

2 開(kāi)裂的冷卻歧管試驗(yàn)分析

2.1 宏觀分析

圖3為1號(hào)九級(jí)冷卻歧管樣品，開(kāi)裂位置位于環(huán)焊縫焊趾靠近鋼管一側(cè)；圖4為2號(hào)九級(jí)冷卻歧管樣品，開(kāi)裂位置位于環(huán)焊縫焊趾靠近法蘭一側(cè)。由圖3和圖4可知，1號(hào)和2號(hào)九級(jí)冷卻歧管均沿環(huán)焊縫焊趾處環(huán)向開(kāi)裂，具有共同的開(kāi)裂特征，因此僅抽取1號(hào)九級(jí)冷卻歧管(原編號(hào)為440084884)進(jìn)行理化性能分析。圖5為1號(hào)九級(jí)冷卻歧管環(huán)焊縫開(kāi)裂處的低倍斷口形貌。

圖3 沿焊趾處開(kāi)裂的1號(hào)九級(jí)冷卻歧管(原編號(hào)440084884)

圖4 沿焊趾處開(kāi)裂的2號(hào)九級(jí)冷卻歧管

圖5 1號(hào)九級(jí)冷卻歧管斷口低倍宏觀形貌(原編號(hào)440084884)

2.2 理化性能檢測(cè)

2.2.1 化學(xué)成分

從1號(hào)九級(jí)冷卻歧管樣品的管體上取樣，用ARL 4460直讀光譜儀，按照ASTM A751-14a標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)，管體材料(SS31603)的化學(xué)成分符合NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不銹鋼材料的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.2.2 拉伸性能

在1號(hào)九級(jí)冷卻歧管直管段截取全尺寸管體拉伸試樣，采用UTM 5305拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM A370-17標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，管體材料(SS31603)的拉伸性能符合NB/T 47010—2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不銹鋼材料的要求。

2.2.3 金相分析

在1號(hào)九級(jí)冷卻歧管環(huán)焊縫處截取金相試樣，采用MEF3A金相顯微鏡、OLS 4100激光共聚焦顯微鏡和Smartzoom5超景深數(shù)碼顯微鏡，按照ASTM E3-11、ASTM E45-13、ASTM E112-13標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行金相分析，結(jié)果見(jiàn)表3和表4及圖6～圖9。

表2 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 九級(jí)冷卻歧管管體金相評(píng)定結(jié)果

表4 九級(jí)冷卻歧管焊縫金相評(píng)定結(jié)果

圖6 母材組織

圖7 焊縫組織

圖8 熱影響區(qū)組織

圖9 焊縫低倍宏觀形貌

2.2.4 微觀形貌分析

在1號(hào)九級(jí)冷卻歧管開(kāi)裂處，截取SEM斷口分析試樣，采用TESCAN VEGAⅡ掃描電子顯微鏡對(duì)其斷口形貌進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10～圖15所示。由掃描電鏡結(jié)果可知，九級(jí)冷卻歧管斷口存在清晰的疲勞裂紋源區(qū)(圖11和圖12)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)(圖13和圖14)、疲勞裂紋瞬斷區(qū)(圖15)，呈現(xiàn)明顯的疲勞斷裂特征。

圖11 疲勞裂紋源區(qū)1

圖12 疲勞裂紋源區(qū)2

圖13 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)1

圖14 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)2

圖15 疲勞裂紋瞬斷區(qū)

3 綜合分析

由宏觀形貌分析結(jié)果可知，九級(jí)冷卻歧管開(kāi)裂位置均位于環(huán)焊縫焊趾處。由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，九級(jí)冷卻歧管的化學(xué)成分、拉伸性能均符合NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)的要求。由掃描電鏡分析結(jié)果可知，開(kāi)裂斷口呈現(xiàn)明顯疲勞斷裂特征[1]：

1)斷口存在大量細(xì)小的、相互平行的、間距較為規(guī)則的疲勞輝紋。

2)斷口存在明顯的疲勞裂紋源區(qū)(圖11和圖12)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)(圖13和圖14)、疲勞裂紋瞬斷區(qū)(圖15)。

3)疲勞輝紋中心的疲勞裂紋源區(qū)位于鋼管內(nèi)壁處，隨后裂紋向壁厚中心擴(kuò)展，形成大量疲勞輝紋，最終疲勞裂紋在瞬斷區(qū)形成了不同尺寸的韌窩。

由圖1和圖2所示高壓渦輪機(jī)組結(jié)構(gòu)可知，九級(jí)冷卻歧管通過(guò)環(huán)焊縫與帶頸法蘭一同固定于高壓渦輪機(jī)組上，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，九級(jí)冷卻歧管隨之承受某一頻率的大幅振動(dòng)。由圖7～圖9焊縫金相組織及低倍形貌的檢測(cè)結(jié)果可知，九級(jí)冷卻歧管與帶頸法蘭連接的環(huán)焊縫無(wú)焊接缺陷，焊接質(zhì)量較好。由此可見(jiàn)，導(dǎo)致九級(jí)冷卻歧管環(huán)焊縫疲勞開(kāi)裂主要是由高壓渦輪機(jī)組產(chǎn)生的振動(dòng)造成的。另外，根據(jù)該九級(jí)冷卻歧管的現(xiàn)場(chǎng)使用情況，其投入使用后僅6個(gè)月就發(fā)生了開(kāi)裂失效，而其設(shè)計(jì)使用時(shí)間為6 a，因而其開(kāi)裂失效屬于早起疲勞失效，說(shuō)明該九級(jí)冷卻歧管使用過(guò)程中所受的振動(dòng)載荷較大。此外，九級(jí)冷卻歧管壁厚較薄(2 mm)、剛度較低，環(huán)焊縫存在應(yīng)力集中、組織不均勻等因素，導(dǎo)致環(huán)焊縫成為較為薄弱的部位，尤其在焊趾和焊根處是疲勞薄弱點(diǎn)，極易萌發(fā)疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)展，最終沿環(huán)向發(fā)生開(kāi)裂[2-4]。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1)發(fā)生疲勞開(kāi)裂的九級(jí)冷卻歧管材料的化學(xué)成分和管體拉伸性能均符合NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》要求。

2)受到高壓渦輪機(jī)組結(jié)構(gòu)限制，九級(jí)冷卻歧管通過(guò)環(huán)焊縫與帶頸法蘭固定于高壓渦輪機(jī)組上，并隨機(jī)組運(yùn)行時(shí)承受某一頻率的大幅振動(dòng)，導(dǎo)致九級(jí)冷卻歧管與帶頸法蘭連接環(huán)焊縫焊趾和焊根處發(fā)生了疲勞開(kāi)裂。

4.2 建議

1)對(duì)機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，減少振動(dòng)頻率和幅度。

2)增加九級(jí)冷卻歧管壁厚，防止歧管自身固有頻率與高壓渦輪機(jī)組振動(dòng)頻率接近而產(chǎn)生共振。

3)對(duì)于新安裝的冷卻歧管，建議在冷卻歧管與帶頸法蘭焊接后，優(yōu)化焊接工藝，并進(jìn)行合理的熱處理，消除連接處環(huán)焊縫殘余應(yīng)力，并進(jìn)行滲透及射線檢測(cè)，排除存在超標(biāo)焊縫缺陷的冷卻歧管。