蒸汽管道流量计失效分析

闻 强

（安徽昊源化工集团有限公司，安徽 阜阳 236058）

2019年5月9日中午，某化工厂锅炉因结焦，开始降压、降温，准备停炉除焦，三个小时后，发现蒸汽管道（Φ219*12mm）流量计环焊缝附近发生泄漏，操作人员关闭阀门，前后过程不足8分钟，由泄漏发展到整体断裂。发生断裂时操作温度为410℃，压力3.8MPa，炉水PH值9～10，经炉水分析Na+含量为0.1～0.2ppm。为预防此类事故的再次发生，分析该流量计断裂失效的原因。

1 宏观检验

现场初步勘察发现，裂纹起源于量流计与下游蒸汽管道连接环焊缝的流量计侧母材及焊缝热影响区，是多源断口。内表面断口距焊缝最近约7mm，为流量计焊缝热影响区，外表面断口位于焊缝熔合线，断裂部位无可见塑性变形。样品断口表面整体较平整，可见黑褐色腐蚀产物，近外壁局部区域可见明显的瞬断区，可见裂纹由内壁向外壁扩展，如图1.1所示。内壁发现大量的白色垢物，结垢会造成该区域PH值增大，为碱应力腐蚀开裂提供环境，如图1.2所示。

图1.1 分析样品位置及形貌

图1.2 内壁白色垢物

2 化学成分分析

对流量计样品进行光谱分析，分析结果（见表2.1）表明，流量计化学成分符合GB/T5310—2008对12Cr2MoWVTiB材料的要求。

3 维氏硬度测定

流量计侧母材及热影响区维氏硬度远高于GB/T5310—2008对12Cr2MoWVTiB材料的要求，详见表3.1。

4 金相分析

断口附近流量计侧母材处发现了两条平行于断口的裂纹，裂纹由内壁向外壁扩展，裂纹扩展初期主要为沿晶形貌，裂纹尖端沿穿晶扩展，母材金相组织为粒状贝氏体+少量羽毛状贝氏体，组织粗大。流量计侧热影响区组织为羽毛状贝氏体+少量马氏体，局部晶界析出了大量的碳化物，晶界碳化物的大量析出降低了晶界强度，粗大的晶界降低了材料的力学性能（塑性、韧性）。焊缝金相组织为正常的粒状贝氏体基体+少量条状及块状铁素体。

5 断口分析

断裂面表面覆盖有大量的腐蚀产物，并伴有球状氧化物。近内壁处一区域呈现冰糖状形貌且晶粒粗大，为沿晶断裂的特点，判断该处疑为裂纹源；其余内壁区域及心部区域为解理断裂形貌，为脆性开裂的特点；近外壁瞬断区呈韧窝状花样，为塑性开裂的典型特点；由此可见，开裂过程是内壁向外壁扩展。

表2.1 流量计化学成分分析结果（Wt%）

表3.1 维氏硬度测定结果（HV）

表6.1 能谱主要元素分析结果

6 能谱分析

用X射线能谱仪对断口表面和裂纹缝隙中的腐蚀产物进行分析，分析部位见图6.1，分析结果见表6.1，由分析结果可知，腐蚀产物均以氧化物为主，并伴有大量的Na、K、Si及少量的S元素。

图6.1 能谱分析部位

7 开裂原因分析

1）流量计材质硬度、抗拉强度远高于标准要求，断后伸长率和室温冲击功远低于标准要求（冲击功值只有标准要求的10%），材料的塑性及韧性极差；金相组织晶粒粗大。原因很可能是流量计材料热处理状态不符合要求。流量计内表面焊缝热影响区及邻近区域的母材由于受到焊接热输入的影响（有一定的热处理效果），力学性能有所改善，该区域与正常母材的交界区域成为应力集中区，该部位存在的微小缺陷，甚至粗大的晶粒都有可能形成裂纹源。2）介质中存在有害离子，如Na+、K+、CI-、S-，在流量计内表面局部形成应力腐蚀开裂环境，尤其是碱应力腐蚀开裂环境，一旦形成，短时间内就会造成材料开裂。

8 结论

3.8MPa中压蒸汽管道主流量计开裂的主要原因是流量计材料力学性能不合格，对应力腐蚀极度敏感，在存在碱应力腐蚀开裂的环境下，极短时间内开裂失效。