袁文君

（中海石油建滔化工有限公司，海南 東方 572600）

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高壓鍋爐給水預熱器管程筒體裂紋失效分析

袁文君

（中海石油建滔化工有限公司，海南 東方 572600）

摘 要：高壓鍋爐給水預熱器管程筒體縱焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)縱向裂紋，通過對材料宏觀檢查、金相分析、力學性能測試及損失機理分析，找出裂紋產(chǎn)生的原因及應對措施，降低設備運行風險，保證設備安全運行。

關鍵詞：裂紋；失效分析；降低風險

某公司天然氣制甲醇裝置高壓鍋爐給水預熱器屬于三類壓力容器，2014年10月裝置正常生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)管程筒體縱焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)一條肉眼可見、長度達200mm的縱向裂紋泄漏大量的高氫轉化氣，裝置隨后緊急停車處理。進入管程內(nèi)進一步檢測發(fā)現(xiàn)可見的裂紋長度延伸達到700mm，筒體爆炸復合板0Cr18Ni10Ti不銹鋼襯里布滿大量龜裂紋，同時換熱管也出現(xiàn)泄漏。裂紋缺陷如圖1所示。

為了保證設備今后運行不再出現(xiàn)類似問題，特對該裂紋的失效原因及機理進行分析。為同類工況下類似設備安全運行和使用提供可借鑒的經(jīng)驗。

圖1　裂紋缺陷圖

一、數(shù)據(jù)收集

該預熱器主要技術參數(shù)見表1，轉化氣成分如表2所示。結構簡圖如圖2所示。

圖2　結構簡圖

表1　主要技術參數(shù)

表2　轉化氣成分 mol%

二、檢查測試

1.宏觀檢查

對換熱器管程筒體進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)筒體縱焊縫熱影響區(qū)沿縱向開裂。通過滲透（PT）檢測發(fā)現(xiàn)筒體內(nèi)側復合板上裂紋呈網(wǎng)狀分布，部分裂紋擴展較深。

2.試樣切取

管程筒體復合板金相檢查和X射線能譜（EDS）分析的切割方案如圖3所示，包括含裂紋試樣1和試樣2，以及裂紋旁切取的試樣3、試樣4和試樣5。其中，試樣1磨制縱截面（厚度方向），觀察復合板金相顯微組織、縫以及裂紋形態(tài)；試樣2磨制復合層橫截面（表面方向），觀察不銹鋼金相顯微組織和裂紋形態(tài)，并對不銹鋼復合層進行EDS分析；試樣3磨制復合層橫截面（表面方向），觀察金相顯微組織；試樣4磨制基材橫截面（表面方向），觀察金相顯微組織；試樣5磨制縱截面（厚度方向），觀察復合板總體金相顯微組織。

圖3　復合板取樣示意圖及實物圖

拉伸試樣和沖擊試樣均取自圖3中15CrMoR基材，取樣位置如圖4所示，其中近不銹鋼側拉伸試樣取試樣1，沖擊試樣分別取試樣1、2、3，15CrMoR基材側拉伸試樣取2和3，沖擊試樣取試樣4、5、6。

圖4　拉伸試樣和沖擊試樣取樣示意圖

3.金相檢查

對切取的試樣利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察金相組織，利用顯微硬度計和布氏硬度計對材料的硬度進行測試。

（1）試樣2和試樣3復合層橫向金相檢查。對復合層橫向試樣觀察金相組織：復合層為奧氏體，部分晶粒呈孿晶分布，在奧氏體基體上存在金黃色、規(guī)則形狀的氮化鈦夾雜；按照GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》中的截點法進行晶粒度的測定，復合層晶粒度級別為8.5級；布氏硬度為HB176，維氏硬度為204.77。

（2）試樣4基材橫向金相檢查。對基材橫向試樣觀察金相組織：基體為鐵素體+珠光體組織，珠光體有球化傾向；按照GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》中的截點法進行晶粒度的測定，15CrMoR的晶粒度級別數(shù)為9級；布氏硬度為HB149，維氏硬度為173.88。

（3）試樣1和試樣5復合板縱向金相檢查。

①焊縫：復合板焊縫形態(tài)為波浪狀，焊縫附近有少量的夾雜等缺陷，未發(fā)現(xiàn)復合板分層剝離。

②基材顯微組織：復合板截面基材金相試樣觀察金相組織為鐵素體+珠光體組織、顯示軋制方向、珠光體有球化傾向、布氏硬度為HB142，維氏硬度為156.78。

4.金相組織和硬度檢查結果分析

（1）組織形貌分析。通過金相組織分析，如圖5，基材15CrMoR鋼的珠光體區(qū)域完整，層片狀碳化物開始分散，趨于球狀化，晶界有少量碳化物。根據(jù)DL/T 787-2001《火電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標準》，對復合板15CrMoR鋼的球化級別為2級（傾向性球化）。

圖5　復合板基材15CrMoR鋼的顯微組織

（2）裂紋形貌分析。

①取樣部位主裂紋。主裂紋深度方向（板厚方向）的形態(tài)如圖6所示，裂紋已經(jīng)貫穿0Cr18Ni10Ti復合層，穿過結合面，在15CrMoR基材繼續(xù)擴展約8.8mm；裂紋平直，穿晶擴展，沒有明顯的分叉。在焊縫附近沒有發(fā)現(xiàn)其它裂紋。復合層微觀形貌：除主裂紋外，還有多條與主裂紋垂直的裂紋在0Cr18Ni10Ti復合層表面。

圖6　復合板主裂紋在深度方向的擴展形態(tài)

②取樣部位次裂紋。主裂紋附近取樣（試樣3），觀察0Cr18Ni10Ti復合層的裂紋狀況。裂紋萌生于復合層內(nèi)壁并向結合面方向擴展。復合層內(nèi)壁上分布著大量的裂紋，部分裂紋已擴展且連接在一起，部分裂紋較短且有明顯的分叉現(xiàn)象、穿晶擴展、裂紋尖端前緣被富氧的沉積物覆蓋。

5.不銹鋼復合層成分分析

對不銹鋼復合層0Cr18Ni10Ti進行了EDS分析，分別對不銹鋼晶界和晶內(nèi)的成分分析數(shù)據(jù)見表3、4，對比發(fā)現(xiàn)兩處Cr含量相當，晶界處未發(fā)現(xiàn)貧Cr現(xiàn)象。

6.力學性能試驗

（1）15CrMoR+0Cr18Ni10Ti復合板常溫拉伸試驗。

①拉伸試樣取樣位置如圖4所示。尺寸如圖7所示。

表3　0Cr18Ni10Ti不銹鋼晶界處成分數(shù)據(jù) %

表4　0Cr18Ni10Ti不銹鋼晶內(nèi)成分數(shù)據(jù) %

表5　拉伸試驗數(shù)據(jù)

表6　常溫沖擊試驗數(shù)據(jù)

圖7　拉伸試樣尺寸

②試驗結果及結論。15CrMoR材料常溫拉伸試驗數(shù)據(jù)和GB6654-1996《壓力容器用鋼板》中給出的標準值對應數(shù)據(jù)見表5。通過拉伸應力-應變曲線及常溫拉伸試驗數(shù)據(jù)與標準值對比可知該預熱器管程基材15CrMoR材質力學性能指標滿足國家標準要求。

（2）15CrMoR+0Cr18Ni10Ti復合板常溫沖擊試驗。

①沖擊試樣取樣位置如圖5所示，尺寸如圖8。

圖8　沖擊試樣尺寸

②試驗結果及結論。15CrMoR材料常溫試驗數(shù)據(jù)和GB6654-1996《壓力容器用鋼板》中給出的標準值對比見表6，試樣編號為1～3的試樣取自近不銹鋼面的15CrMoR材料，試樣編號為4～6試樣取自遠離不銹鋼面的15CrMoR材料。

由表2～4常溫沖擊試驗數(shù)據(jù)與標準值對比可知，管程基材15CrMoR材質沖擊功均大于標準中規(guī)定的數(shù)值，符合國家標準要求。

7.管程筒體復合板失效原因分析

對管程筒體復合板材料金相顯微組織、硬度檢測和力學性能試驗顯示15CrMoR材料符合標準要求，表明筒體復合板裂紋失效與材料本身無關。

對復合板裂紋分析表明，裂紋萌生于0Cr18Ni10Ti復合層內(nèi)壁且裂紋穿晶擴展，復合層無敏化現(xiàn)象，無明顯的腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，復合板主裂紋發(fā)生在基材縱焊縫熱影響區(qū)，說明開裂沿著材料抵抗力最弱區(qū)域和承受周向最大主應力方向開裂，抽查試樣上的裂紋平直，無分叉現(xiàn)象，這顯示開裂可能與溫差應力和材料脆化相關。

復合板0Cr18Ni10Ti一側所受熱應力來自于兩方面：一是內(nèi)外溫差引起的熱應力，二是不同熱膨脹系數(shù)（溫度在100～400℃內(nèi)，15CrMoR材料的熱膨脹系數(shù)為11.9～13.7×10-6/℃，0Cr18Ni10Ti材料的熱膨脹系數(shù)為16.0～17.5×10-6/℃）引起的熱應力。當母材15CrMoR的溫度不變時，則由于熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的應力計算公式為：

σt=EαΔt（1）

式中：E——彈性模量；

α——熱膨脹系數(shù)；

Δt——溫差。

對復合層材質0Cr18Ni10Ti，取200℃時的材料參數(shù)進行計算，具體參數(shù)見表7。

表7　計算參數(shù)

當由于熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的應力達到或超過抗拉強度（520MPa）時，復合層將發(fā)生開裂，此時對應的溫差為：

已知管程入口的介質溫度為328℃，Δt=169℃，則當復合層的溫度瞬間由328℃降至159℃時，對應的熱應力將達到材料在常溫下的抗拉強度（520MPa）此時將會導致復合層開裂。

由于換熱管束泄漏，當殼程內(nèi)高壓鍋爐水泄漏至管程內(nèi)壁時，會引起復合層的瞬間降溫，造成復合層和基材之間瞬態(tài)溫差產(chǎn)生的熱應力超過材料的強度極限導致裂紋萌生，多條裂紋同時產(chǎn)生、最后擴展匯合。

三、損傷機理分析

1.內(nèi)部腐蝕減薄

高壓鍋爐給水預熱器管程筒體基體材料為15CrMoR、復合層材料為0Cr18Ni10Ti；介質為轉化氣且含有水和二氧化碳，故預熱器管程潛在的腐蝕減薄類損傷為二氧化碳腐蝕。據(jù)EDS檢測抽查部位不銹鋼復合層無敏化現(xiàn)象，材質對其介質具有較強的耐腐蝕性，內(nèi)部腐蝕減薄速率不會導致設備裂紋失效。

2.外部腐蝕

查驗設備操作溫度在外腐蝕發(fā)生的溫度范圍之外，故不存在外部腐蝕的可能性。

3.高溫氫腐蝕

管程介質轉化氣中含有氫氣。當奧氏體不銹鋼復合層開裂后，氫氣將直接作用到15CrMoR基材上。據(jù)該設備管程入口的操作參數(shù)和介質成分，管程入口的氫分壓0.9MPa（130.5psi），溫度310℃（590），其在Nelson曲線中的位置位于1Cr-0.5Mo曲線以下，處于可接受使用區(qū)域，故不存在高溫氫腐蝕的可能。但當基材溶解大量氫時，會造成基材的氫脆，直接導致基材在突變的低應力下開裂。

4.內(nèi)襯失效

由于管程材料為爆炸復合層鋼板，故存在內(nèi)襯失效的可能性。

5.應力腐蝕開裂及疲勞

管、殼程介質中不存在S、Cl等應力腐蝕敏感物質，無應力腐蝕開裂機理，設備的操作條件，操作工況穩(wěn)定，可排除疲勞失效模式。

6.熱應力

金屬材料受到急熱或急冷時局部溫度發(fā)生劇變，其內(nèi)部將產(chǎn)生較大溫差，產(chǎn)生不規(guī)則變形從而形成高熱應力，甚至可能超過材料的屈服極限導致開裂或金屬部件損壞。熱應力引發(fā)的表面開裂多呈現(xiàn)為“發(fā)絲狀”裂紋。其主要影響因素有較大的溫差、不同的熱膨脹系數(shù)及材料本身的缺陷。

四、結語

通過材料宏觀檢查、金相分析、力學性能測試及損失機理分析，由于換熱管束泄漏導致殼程的低溫高壓鍋爐水不斷向管程泄漏從而引起管程筒體表面溫度突變，當管程筒體復合層和基材之間的瞬態(tài)溫差達到159℃時，就會造成復合板因高熱應力開裂，由于縱焊縫熱影響區(qū)較為薄弱，故最先在此開裂后導致設備失效泄漏。

設備修復后為防止后續(xù)運行中此類失效的再次發(fā)生及提高設備運行的可靠性，建議：第一，控制工藝波動的幅度，尤其是操作溫度的突變對設備造成的損傷；第二，每6個月采用聲發(fā)射等無損檢測方法對該設備（尤其是返修附近部位）的開裂情況進行檢測；第三，若監(jiān)測的操作溫度異常波動、檢測發(fā)現(xiàn)設備異常缺陷應立即停車處理；第四，加強對設備的日常巡檢，制定可靠的事故預案并進行必要的事故處理應急演練。

參考文獻：

[1] 姜求志、王金瑞等 《火力發(fā)電廠金屬材料手冊》.北京.中國電力出版社.2000.

[2] 劉鴻文《材料力學》.北京.高等教育出版社.2004.

?潤滑與密封?

收稿日期：（2015-12-24）

中圖分類號：TE963

文獻標識碼：B

文章編號：1671-0711（2016）02-0069-04