外取熱器松動(dòng)風(fēng)管失效原因分析

周 楊，錢曉龍，梁建活

（1.盛虹煉化（連云港）有限公司，江蘇連云港 222000；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029）

1 情況介紹

某石化企業(yè)催化裝置外取熱器發(fā)生泄漏，停工檢查發(fā)現(xiàn)取熱器內(nèi)松動(dòng)風(fēng)管發(fā)生開裂（圖1）。該外取熱器于2010 年投用，最近一次檢修為2020 年3 月，同年4 月投入使用，本次運(yùn)行累計(jì)使用7 個(gè)月。松動(dòng)風(fēng)管材料為347#，管內(nèi)介質(zhì)為空氣，工作壓力0.30～0.33 MPa，工作溫度600 ℃；松動(dòng)風(fēng)管外部管壁接觸殼程介質(zhì)，工作壓力為0.22 MPa，工作溫度700 ℃；殼程介質(zhì)為煙氣，其主要組分為氮?dú)?、水、二氧化碳和一氧化碳，并含有微量硫化物?/p>

圖1 失效部位及開裂形貌

2 理化分析

2.1 宏觀檢查

開裂彎頭解剖后的裂紋剖面和裂紋尖端斷裂面形貌如圖2 所示：失效彎頭部件焊縫中部存在縱向裂紋，裂紋長(zhǎng)度約102 mm，開裂部位焊縫余高約5.5 mm；從剖面圖可以看出，彎頭內(nèi)部未見明顯腐蝕痕跡；對(duì)焊縫開裂部位進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展方向?yàn)樽运蓜?dòng)風(fēng)主管外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展；將裂紋尖端沿?cái)嗔衙娲蜷_，發(fā)現(xiàn)已開裂部位呈黑褐色，判斷應(yīng)為高溫條件下斷面金屬與煙氣中的氧氣發(fā)生高溫氧化后生成的氧化物薄膜。

圖2 開裂彎頭的裂紋剖面和裂紋尖端斷裂面形貌

2.2 壁厚測(cè)定

測(cè)定失效部位壁厚，直管壁厚11.8～12.2 mm，彎頭外側(cè)測(cè)厚11.1～12.4 mm。該彎頭公稱壁厚為11 mm，測(cè)厚值顯示未發(fā)生減薄現(xiàn)象。

2.3 化學(xué)成分分析

采用GB/T 11170—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）》，使用德國(guó)SPECTROMAXx 型固定式直讀光譜儀分析失效件母材和焊縫金屬化學(xué)成分，分析結(jié)果見表1。其中，“8C～1.00”表示該元素含量是碳元素（C）含量的8 倍，但最大值小于總重的1%。

表1 失效件化學(xué)成分

由表1 可知，失效件直管和彎頭部位母材化學(xué)成分符合ASME SA312 TP347 要求，未失效部位焊縫化學(xué)成分符合ASME SA312 TP347 焊條要求。ASME 即American Society of Mechanical Engineers，指美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)。由于失效部位焊縫化學(xué)成分中鉻（Cr）含量和鎳（Ni）含量明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值，鉻含量?jī)H為6.26%，鎳含量?jī)H為2.4%，因此判斷該處焊縫的焊條未采用正常的不銹鋼焊條。

2.4 力學(xué)性能分析

依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分 室溫試驗(yàn)方法》在失效件直管母材和焊縫部位，分別取樣制備了標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。使用745103-0008 型號(hào)AG-IC 萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。其中，焊縫-1、焊縫-2 和焊縫-3均在斷裂部位為母材位置。

由表2 可知，失效件直管母材拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合ASME SA312 TP347 要求，焊縫部位拉伸試驗(yàn)結(jié)果屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度符合ASME SA312 TP347 要求，試件斷裂部位均位于母材處，表明失效件開裂部位焊縫強(qiáng)度要高于母材。

表2 常溫下失效件直管母材和焊縫部位拉伸性能

2.5 掃描電鏡和能譜分析

焊縫裂紋斷口形貌SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）微觀觀察，斷口表層全部覆蓋一層氧化物（圖3）。對(duì)斷口表面進(jìn)行EDS（Energy DispersiveX-Ray Spectroscopy，能量色散X 射線光譜儀）分析，由圖4 和表3 可見，氧化物成分為Fe（鐵）、O（氧）或Fe、C、O 組成，判斷為鐵的氧化物和碳酸鐵（元素后的“K”表示測(cè)量時(shí)采用的線系）。這與圖2 的宏觀觀察互相印證。

表3 失效件斷口EDS 分析結(jié)果

圖3 失效件斷口SEM 形貌

2.6 金相分析

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，使用德國(guó)卡爾蔡司Imager.A2m 光學(xué)顯微鏡，對(duì)失效件開裂部位進(jìn)行金相檢驗(yàn)，金相形貌如圖5～圖7 所示：從焊縫金屬外表面金相形貌可以看出，焊縫外表面存在一層厚度約150 μm 氧化層；從左右熔合線金相形貌可以看出，母材金屬外表面沒有明顯的氧化層，但從裂紋尖端形貌可以看出裂紋尖端有明顯的氧化。

圖5 開裂焊縫左右熔合線形貌

圖6 焊縫金屬外表面形貌

圖7 裂紋尖端形貌

3 失效原因分析

失效彎頭環(huán)焊縫焊縫中部存在縱向裂紋，裂紋自焊縫外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展。焊縫外表面接觸殼程側(cè)介質(zhì)，介質(zhì)為煙氣和催化劑，煙氣中含有氧氣、一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)狻⑺拔⒘苛蚧?，介質(zhì)溫度為700 ℃，在該工況下易發(fā)生高溫氧化、蠕變等損傷。另外，電鏡EDS 結(jié)果顯示斷口表面完全被鐵的氧化物和碳酸鐵覆蓋，金相分析結(jié)果顯示焊縫金屬外壁覆蓋一層約150 μm 氧化層，同時(shí)裂紋內(nèi)部間隙也充滿氧化物，裂紋尖端也發(fā)生了氧化。

從焊縫金屬的化學(xué)成分分析可知，焊條材料不符合ASME SA312 TP347 材料要求，標(biāo)準(zhǔn)要求鉻含量在18%～21%，鎳含量在9%～11%。分析結(jié)果顯示，焊縫金屬中鉻含量?jī)H為6.26%，鎳含量?jī)H為2.4%。其中，鉻元素是耐氧化能力的主要合金元素，可在金屬表面生成致密穩(wěn)定的三氧化二鉻，阻止鐵氧向金屬內(nèi)部的進(jìn)一步擴(kuò)散，有效提高氧化性。焊縫金屬中鉻元素含量的不足，將導(dǎo)致焊縫金屬在殼程高溫接觸煙氣工況下發(fā)生高溫氧化，產(chǎn)生疏松的鐵氧化合物，在焊縫和熔合線等局部應(yīng)力集中部位疏松的鐵氧化合物發(fā)生開裂，新鮮金屬表面進(jìn)一步暴露發(fā)生氧化，疏松的氧化層在裂紋尖端這種應(yīng)力集中部位繼續(xù)發(fā)生開裂，裸露新鮮金屬表面，這種過程不斷循環(huán)促使裂紋不斷擴(kuò)展。因此，鉻含量不足是該處焊縫失效的直接原因[1-6]。

母材部位材料和未失效焊縫材料均符合要求，對(duì)應(yīng)部位均未發(fā)生外表面開裂，且從金相結(jié)果顯示母材外表面沒有明顯的氧化層，也印證了該失效原因。

4 結(jié)論及建議

（1）焊縫開裂主要原因?yàn)楹覆氖褂缅e(cuò)誤，未使用不銹鋼焊條，導(dǎo)致焊縫金屬在應(yīng)用工況環(huán)境下發(fā)生高溫氧化，進(jìn)而導(dǎo)致開裂發(fā)生。

（2）建議嚴(yán)格把控施工過程質(zhì)量驗(yàn)收關(guān)，停工定期檢驗(yàn)過程中應(yīng)對(duì)松動(dòng)風(fēng)管焊縫材料進(jìn)行光譜分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。