电厂用不锈钢EH油管开裂失效分析与防护

摘 要：某电厂锅炉用不锈钢EH油管发生开裂，采用合金成分分析、能谱分析、显微硬度和金相组织观察对开裂泄露的不锈钢油管进行了检测分析。结果表明：不锈钢EH油管合金成分符合要求，金相组织正常。能谱分析在裂纹缝隙中检测到Cl元素和S元素。显微硬度检测发现，越靠近裂纹，其硬度值越低。结合EH油管运行环境，油管开裂的主要原因是由于潮湿的工作环境下吸收空气中的水分及游离态的Cl离子，形成腐蚀性介质，在工作压力和残余应力作用下产生由外向内扩展的应力腐蚀开裂。

关键词：EH油管;应力腐蚀;显微硬度;能谱分析;氯离子

1 引言

供油系统是火力发电厂汽轮机三大本体系统之一[1]，其中EH油系统占据供油系统的一半。一旦EH油系统发生失效，就会严重影响正常的发电，从而造成不必要的经济损失。EH油系统主要部分包括供油部分、执行部分、应急遮蔽部分以及油管路部分。根据电厂检修规程，需要经常对供油部分、执行部分和应急遮蔽系统的定期维护。因此，造成EH油系统最常见失效的是管路部分，包括法兰垫圈老化失效[2]、焊接缺陷失效[3]、油管破裂失效[4-7]等。本论文将以某电厂EH油管路失效案例为模型，分析其失效原因，并对后续维护提出相应建议。

某热电厂于2020年11月发现1#机组的一根EH油管存在大量漏油现象，并影响了轧机的生产。由于开工投产在即，为保证投产运行安全，需要在较短时间内准确地查明泄漏的原因。从而为其他管道的正常使用提供参考，避免类似事故的发生。

EH油管设计材质为304钢，设计规格为20×2.5mm，自投入使用后累计运行时间约7万小时，运行压力14MPa，运行温度21～55℃，介质为汽动抗燃油。

2 实验方案

根据宏观判别EH油管路开裂特征类型;通过材质分析，确定材料成分。对失效EH油管路进行取样，经过打磨，抛光，再用稀王水进行腐蚀。通过LSM700激光共聚焦显微镜对开裂油管金相组织进行分析，根据裂纹走向判别裂纹发展情况变化。使用MHVS-30V显微硬度计对金相观察后的试样进行硬度测量，得到硬度数据。直接取样经过超声振动并吹干，通过能谱分析（EDS）得出裂纹中的氧化物的化学成分。

3 实验结果

3.1 宏观形貌分析

图中方框部分为弯管背弧局部区域放大图。弯管侧弧位置存在较明显的宏观裂纹，沿主裂纹附近有不同程度的细小分支，整条裂纹呈断续状，最长的裂纹长度约有30mm。另外，EH油管外表面存在轻微划伤及磨损痕迹，管外壁有不同程度的点蚀，尤其在背弧侧腐蚀区域逐渐连续，如圆圈内标识。

3.2 合金成分分析

EH油管试样管壁上进行合金成分分析，执行标准：DL/T991-2006，仪器型号：NitonXL2型合金分析仪，编号：57783。

表1中一并列出GB/T 20878-2007中06Cr19Ni10（304）钢标准值，比较可见。EH油管试样合金成分满足06Cr19Ni10（304）钢标准要求。

3.3 显微硬度分析

采用MHVS-30V显微硬度计，从裂纹附近至远离裂纹依次进行显微硬度检测。试验参数为：载荷200 g，加载时间10 s，压头类型为正四棱锥金刚石， 测量数据见表2。数据显示，越靠近裂纹位置，其硬度值越小。远离裂纹处EH油管基体母材硬度值为225 HV，符合DL/T 438-2016 《火力发电厂金属技监督规程》中要求范围。

3.4 金相组织形貌

在带有裂纹的弯管背弧进行取样，对试样打磨、抛光后，用稀王水进行腐蚀。用激光共聚焦显微镜对EH油管横截面进行观察。图2是油管横截面金相组织形貌，其中图2a是整个横截面金相组织形貌。整条裂纹宏观是垂直管壁向内发展，裂纹总长约2.1mm，约占整个壁厚的84%。裂纹由外壁形成逐渐向内壁扩展。图2b和图2c分别是裂纹中间位置和裂纹尖端位置的局部放大图，图中显示主裂纹周边存在许多小裂纹，呈树枝状分布，尤其裂纹尖端附近更为明显。图2中裂纹内未见明显腐蚀和氧化产物。在远离裂纹位置的基体金相为奥氏体，组织均匀，晶界上未见明显碳化物析出[5-7]。

图2d是图2c中方框位置局部放大200倍后的金相组织，为均匀的奥氏体。裂纹包含穿晶裂纹和沿晶裂纹两种，晶界上未见明显析出物和老化现象。

3.5 能谱分析

为了更准确的了解EH油管内腐蚀产物的含量及变化趋势，分别选取裂纹中间位置和裂纹尖端附近的位置进行能谱分析，对应检测位置如图4和图5所示。图4和图5是位置的能谱分析结果对应谱图5和谱图7位置，能谱分析具体数值结果见表3。由能谱分析结果可见，两处裂纹中均可检测出氯离子的存在，且在图谱5位置检测到0.36Wt.%的硫元素，且C含量和O含量都偏高。值得注意的是氯离子正是诱发奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀的敏感性元素[8，9]。

4 原因分析与建议

对EH检测结果显示，油管合金成分符合标准要求，基体金相组织为奥氏体，且在晶界处无明显的析出物。综合宏观显示EH油管外面较多的点蚀坑分布、呈树根状多分支裂纹形态和能譜检测出Cl元素和S元素等特征，该种特征属于应力腐蚀开裂特征[5]。

金属发生应力腐蚀开裂有三种特定的条件： 1）金属材料本身对SCC的敏感性;2）特定组织环境（包括腐蚀介质、浓度、温度）;3）引起应力腐蚀开裂的拉引力。

a）在对裂纹内部腐蚀产物进行能谱分析，裂纹中存在Cl及S等卤系元素。奥氏体不锈钢对卤化物元素是十分敏感的。除了氯和卤元素外，产生应力腐蚀还必须有氧存在[10]。图谱5位置氧元素含量高达41.12Wt.%，这与裂纹中检测出较高含量的氧元素得到证实。

b）送检的EH油管所处位置外部环境相对比较封闭，工作运行温度高于室温，油管有少许发生泄漏时，极易形成比较潮湿的环境。EH油中除了存在少量水分外，还会存在极少量的杂质离子，如Cl等[11]。当形成潮湿环境后，首先会在油管表面形成腐蚀凹坑（点蚀坑）。随着运行时间增长，腐蚀凹坑会逐渐吸收空气中水分和游离态的Cl和S等元素，形成局部Cl和S溶液[12]。根据能谱分析表明，靠近外壁裂纹5号位置处Cl离子的质量分数最高达8.73%，S离子的含量为0.36%。7号位置处Cl离子的质量分数最高达1.93%，没有S离子。该结果说明早期裂纹中Cl含量明显高于裂纹尖端附近的Cl离子含量。Cl元素和S元素在裂纹尖端（或点蚀坑底）等位置产生了浓缩聚集，随着时间的积累，使得在裂纹尖端（或点蚀坑底）环境符合应力腐蚀的介质条件。

c）裂纹产生的位置主要分布在弯管背弧位置，说明在背弧位置存在成形加工的残余应力[13，14]。在油管工作内压作用下，会在管子外壁造成的拉应力。

综上分析，EH油管裂纹产生的原因是由于长期在工作环境潮湿，首先形成点蚀坑，然后形成腐蚀性介质，产生由外向内扩展的应力腐蚀开裂。

显微硬度显示越靠近裂纹附近，EH油管硬度值越低。在裂纹中检测C含量和Cr含量高于正常组织，说明在裂纹处有C-Cr化合物析出[9]。在奥氏体不锈钢中常见的碳化物为Cr23C6[7，9]。由于碳化物沿晶界沉淀，导致了在相邻晶粒中的Cr 浓度的降低，打破晶界和晶粒间原有的平衡，使得晶粒内含铬量不足而使材料抗腐蚀能力下降。由此往复，会在应力腐蚀作用下晶界处连成网状的晶间腐蚀，即在主裂纹周边形成树根状的细小裂纹。

针对EH油管发生应力腐蚀做出的建议措施：

1）EH油系统一旦发生泄漏，应尽早修复。

2）保持运行环境干净，通风，避免潮湿环境形成。

3）定期对EH油管路的焊接位置和应力集中位置进行无损检测，防止管路开裂等缺陷。

5 结论

EH油不锈钢管泄漏原因是该段管路工作环境潮湿，在弯曲残余应力和工作内应力作用下，吸收了空气中的水分和Cl离子，形成腐蚀性介质，产生由外向内扩展的应力腐蚀开裂，最终导致不锈钢EH油管的开裂。

参考文献

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作者简介：

姓名：张杰，1992年1月，男，汉族，籍贯：河北省新乐市，设备主管，大专，单位：山东万通石油化工集团有限公司，研究方向：设备管理。