沿海大气中某备用机组主蒸汽管道吊架的断裂原因

张倚雯

(中电华创(苏州)电力技术研究有限公司,苏州 215123)

管道支吊架用于承受管道载荷、限制管道位移、控制管道振动,此外,还需将载荷传递至承载结构上的各类组件或装置。吊架从管道上方吊挂,主要受拉应力作用。管道支吊架是压力管道的重要支撑件,其完整性会直接影响管道系统的应力状态,及压力管道的安全运行[1]。不锈钢在火力发电厂设备管道中应用广泛。06Cr19Ni10 不锈钢具有奥氏体组织,是目前市场上需求量最大的不锈钢品种[2-7]。

大气腐蚀是材料与其周围大气环境相互作用的结果,是一种存在最广泛的金属腐蚀形式[8-9]。奥氏体不锈钢在含氯环境中极易发生腐蚀,应力腐蚀开裂是奥氏体不锈钢在苛刻环境中的一种典型腐蚀破损形式,是奥氏体不锈钢性能失效的最主要原因之一。应力腐蚀开裂是敏感材料在拉应力和腐蚀介质的协同作用下,在低于材料强度极限时出现的脆性开裂现象[10]。Cr元素可以促进保护性锈层的形成,使开路电位正移,还可使锈层具有阳离子选择性,从而阻止Cl-向基体表面侵蚀,是可以显著提高钢材耐蚀性的元素之一[11]。晶间腐蚀作为一种局部腐蚀,广泛存在于奥氏体不锈钢中[12]。尤其在海水环境中,镍铬不锈钢易发生晶间腐蚀。

此次断裂吊架发生在我国沿海的某火电厂,该地区是典型中亚热带季风气候,基本无冬季,暖热湿润,具有明显的海洋性气候特征[13]。空气中的水蒸气会在金属表面吸附并形成一层液膜,同时空气中部分污染性气体会扩散到液膜中,溶解后转化为侵蚀性离子,与金属发生电化学反应,加速腐蚀。海洋大气环境的特点是相对湿度大、盐含量高,大气污染物主要是海盐粒子,海盐粒子中Cl-含量丰富,沉积并溶解在液膜中后,其浓度远大于在其他大气环境中的。Cl-可以穿过腐蚀产物并渗透到金属表面直接参与电化学腐蚀,对腐蚀起催化作用[14-15]。

此次吊架断裂事故发生于一备用火电厂,锅炉为DG-2880/29.3-Ⅱ1型、露天布置、全钢构架、全悬吊结构π型超超临界参数变压直流锅炉。该锅炉的主体结构已于5 a前建成,在近期的复工检验中,发现标高74.918 m 处主蒸汽管道的吊架断裂。该段主蒸汽管道的支吊架布置情况见图1,断裂吊架编号为4号和6号。此次送检吊架为4号吊架,断裂发生在U(型)弯处,现场断裂情况如图2所示。笔者通过宏观检查、化学成分分析、金相检验、力学性能检验、扫描电镜及能谱分析等对吊架的断裂失效原因进行分析,以期为今后避免此类事故的再次发生提供依据。

图1 主蒸汽管道断裂吊架附近的支吊架布置图Fig.1 Arrangement plan of the nearby supports and hangers of the cracked main steam line hangers

图2 断裂吊架现场照片Fig.2 Site photo of the cracked hanger

1 理化检验与结果

1.1 宏观检查

断裂吊架材质为06Cr19Ni10 钢(材质由电厂提供)。吊架失效位置的宏观形貌如图3所示,断口处腐蚀严重,推测发生断裂后已经过了较长时间,断口附近可见多条宽窄不一的裂纹;裂纹沿周向扩展,较长裂纹的长度约为吊架周长的二分之一。

图3 失效部件的宏观形貌Fig.3 Macro appearance of the fracture（a）and the cracks near the fracture（b）of the failed component

使用2%(体积分数)盐酸水溶液对断口表面垢层超声清洗10 min,清除垢层后可见断口无缩颈,无明显的剪切唇和纤维区,为脆性断口。断口上存在断裂源区、裂纹扩展区及最后断裂区,符合应力腐蚀开裂的宏观形貌特征,见图4。断口表面存在两个源区,结合图3(a),可判断其位于吊架U 弯两侧中性面偏内弧部位。

图4 断口的宏观形貌Fig.4 Macro appearance of the fracture

1.2 化学成分分析

使用Belec移动式直读光谱仪对失效件进行化学成分分析。由表1 可见,与GB/T 1220-2007《不锈钢棒》中对06Cr19Ni10钢的化学成分要求相比,失效件的C含量偏高,Cr含量偏低。

表1 失效件的化学成分Tab.1 Chemical composition of failed component

1.3 硬度检测

采用HBST-3000型台式数显布氏硬度计对失效件进行硬度检测。由表2可见,失效件的布氏硬度值高于标准要求。

表2 失效件的布氏硬度Tab.2 Brinell hardness of failed component

1.4 力学性能测试

按GB/T 228.1-2010标准要求,在失效吊架直段部分取两个室温拉伸试样,编号分别为LS-1和LS-2,使用MTS C45万能试验机对失效件进行室温拉伸试验,由表3可见,失效件的室温拉伸性能满足标准要求。

表3 失效件的室温拉伸性能Tab.3 Tensile properties at room temperature of the failed component

1.5 显微组织观察

对失效件U 弯位置的断口及附近直段位置分别取样,使用蔡司Axio Observer型金相显微镜对失效件的非金属夹杂物及显微组织进行观察。根据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》,失效件的非金属夹杂物为B类2.5级、D类2.5级。从失效件U 弯位置和直段位置横截面取样。由图5 可见,失效件组织均为奥氏体+第二相,参考DL/T 1422-2015《18Cr-8Ni系列奥氏体不锈钢锅炉管显微组织老化评级标准》,U 弯和直段的老化级别均为老化1级,未见老化,晶粒度均为6.5级,U 弯、直段位置显微组织无明显差异。

图5 失效件U弯及直段位置横截面的显微组织（取样位置为芯部）Fig.5 Microstructure of the cross-section at the U-bend（a）and straight section（b）of the failed component（sampling location at the core）

由图6 可见:U 弯位置外壁及其附近区域存在混晶,且U 弯及直段外壁区域均存在沿晶裂纹,裂纹由外壁向内壁延伸,且存在不同程度的晶粒脱落。

图6 失效件U弯及直段位置外壁的显微组织Fig.6 Microstructure of the outer wall at the U-bend（a）and straight section（b）of the failed component

将失效件U 弯位置断口附近的裂纹沿纵向剖开,由图7可见:U 弯位置断口附近存在数条沿周向扩展的裂纹,抛光态下可见主裂纹附近存在由外壁向内壁扩展的微裂纹,浸蚀后可见裂纹均沿晶发展,且其在向内壁发展的过程中发生分叉,呈树枝状,符合应力腐蚀裂纹形貌特征。

图7 U弯裂纹位置纵剖面的显微形貌Fig.7 Micro morphology of the longitudinal section at the location of U-bend cracks：（a）crack source（polish state）；（b）crack source（erosion state）；（c）crack direct（erorion state）

从U 弯附近的直段横截面取样进行金相检验,发现其芯部存在沿晶裂纹,裂纹起源于吊架取样的芯部,并沿晶界发展,无分叉。裂纹起源于芯部晶界第二相质点处,沿晶界向两侧扩展。

1.6 扫描电镜与能谱分析

使用配备OXFORD 能谱仪(EDS)的ZEISS EVO 18型扫描电子显微镜对失效件的断口进行形貌观察。如图8所示,断口呈现冰糖状形貌,晶界上存在微孔,为典型的沿晶延性断口。

图8 失效件断口形貌Fig.8 Fracture morphology of the failed component

使用能谱仪对裂纹内部进行成分分析,结果如图9所示。裂纹沿晶界发展,裂纹内部及附近存在Cl元素的富集,满足发生应力腐蚀及晶间腐蚀的介质条件。

图9 裂纹的SEM 形貌及EDS结果Fig.9 SEM morphology（a）and EDS results（b-d）of the cracks

由图10可见:失效件位置(U 弯处)晶界处有微孔,推测存在晶粒脱落现象。

图10 裂纹位置的SEM 形貌Fig.10 SEM morphology of the crack

2 讨 论

一般来说,管道支吊架失效及异常的原因有安装位置,初装载荷及管子、管件的选择与设计不符,直接接触管道的材料与设计不符,支吊架运行异常,错用型号和材料,支吊架间距偏差,偏装作业偏离设计值等。本次送检吊架未经运行、使用,安装后长时间搁置即发生断裂,吊架材质为奥氏体不锈钢,且处于沿海环境中,材料成分、性能,部件制造、安装及腐蚀等因素都会成为其失效的影响因素。

化学成分分析结果表明:失效件的C 含量偏高,其化学成分不符合标准要求。奥氏体不锈钢中含碳量越高,晶间腐蚀倾向越严重。此外,应力腐蚀敏感性也随碳含量的变化而变化,且当碳的质量分数为0.12%时,应力腐蚀敏感性最大[16]。失效件的Cr、Ni含量低于标准值,而18Cr-8Ni系不锈钢的Cr和Ni质量分数必须超过18%和8%,才能保持其固有的耐蚀性,因此失效件的耐蚀性较差。此外,失效件的Mn元素含量偏高,存在锰代镍的现象,这会造成试样硬度偏高,耐蚀性较差。

吊架断裂位置在U 弯处,表面未见明显制造、磨损等外观缺陷;吊架受拉应力作用,材质为奥氏体不锈钢,且沿海环境存在腐蚀性介质,具备应力腐蚀发生的关键条件。进一步分析表明,裂纹为沿晶扩展,断口无缩颈,无明显的剪切唇和纤维区,为脆性断口,符合应力腐蚀或晶间腐蚀失效的断口形貌。断口存在断裂源区、裂纹扩展区、最后断裂区,源区位于吊架U 弯两侧中性面偏内弧部位,此处所受应力相对较大。

失效件的硬度高于标准要求,室温拉伸性能符合标准要求。一般来说,材料的硬度及强度越高,对应力腐蚀的敏感性越大[17]。失效件的显微组织为奥氏体+第二相,未见老化,晶粒度6.5级,氧化铝类夹杂物2.5级,环状氧化物类夹杂物2.5级,夹杂物含量较多。U 弯及直段位置均发现起源于外壁的裂纹,且在裂纹源位置存在晶粒脱离,为沿晶裂纹,且裂纹符合晶间腐蚀开裂裂纹的形貌特征。

扫描电镜及能谱分析结果显示,断口呈冰糖状,存在大量沿晶界分布的细小微孔及第二相,为典型的沿晶延性断口,裂纹内部富含Cl元素,存在发生腐蚀的介质条件。同时,在扫描电镜下可看到晶粒脱落的形貌,证明失效件晶界位置薄弱。

据了解,吊架U 弯制作后,未采取固溶处理工艺,即此处的加工应力未消除,其抗腐蚀能力降低。对奥氏体钢来说,当工作环境具备腐蚀条件时,极易发生应力腐蚀和晶间腐蚀。金相检验发现送检试样存在晶间裂纹,裂纹存在于部件芯部与外壁,沿晶扩展;能谱分析晶间裂纹中物质组分,其中Cl元素达到一定含量,判断晶间裂纹为应力腐蚀裂纹及晶间腐蚀裂纹。此次断裂吊架同时存在应力腐蚀及晶间腐蚀现象。

3 结论与建议

沿海火力发电厂主蒸汽管道吊架在非在役状态下断裂,分析得出材质错用是其主要原因。此外,沿海大气特殊的盐雾环境给奥氏体不锈钢提供了腐蚀介质,加之吊架U 型弯加工后未经固溶处理,残余应力无法释放,最终发生应力腐蚀和晶间腐蚀以致断裂。建议对特殊环境中使用的奥氏体钢设备加强监督管理,保证材料质量及设备的加工处理过程,使用过程中加强监督检验。针对此次事件,建议如下。

(1) 核实吊架钢号及制造工艺,钢号与设计不符合的应予以更换;做好管道支吊架设计制造、安装、验收和检验各阶段的技术资料接收工作,建立管道及支吊架技术监督档案。

(2) 对同批次奥氏体钢吊架进行取样检验分析,其他奥氏体钢材质吊架进行抽查性现场检验。

(3) 对主汽及其他管道支吊架进行全面检查调整。