冶金工業管道失效案例分析及預防對策

顧素蘭楊惠谷何磊楊煜廣

(1.上海寶鋼工業檢測公司2.上海市特種設備監督檢驗技術研究院)

冶金工業管道失效案例分析及預防對策

顧素蘭*1楊惠谷2何磊1楊煜廣1

(1.上海寶鋼工業檢測公司2.上海市特種設備監督檢驗技術研究院)

列舉了幾個壓力管道失效案例。通過取樣進行化學成分、宏觀形貌、金相及微觀形貌分析發現，管件的制造缺陷、安裝時遺留的焊接超標缺陷以及管道運行過程中過大的應力載荷或異常振動，都是導致管道失效的原因。消除管件的制造缺陷和焊接超標缺陷、消除管道運行中過大的應力載荷和異常振動，是解決管道失效的有效辦法。

管道失效預防焊接焊縫缺陷

1 失效案例一

某鋼廠氧氣管道，經設計、安裝后于2007年10月投入運行。該管道直管段材質為20鋼，彎管段材質為25鋼，管道最高操作壓力為1.9MPa，操作溫度為常溫，管道規格?219×6 mm。2008年5月，發現該管道在水平∏型管道的某一彎頭焊縫處（見圖1）發生破裂，造成管道氧氣泄漏。由于發現及時并采取補救措施，避免了事故的進一步發生。

圖1 管道發生泄漏部位

1.1 管道失效分析

先對失效管道作材料的化學成分和斷口形貌分析，然后再進一步作失效原因綜合分析。

1.1.1 取樣材料的化學成分

對管道取樣材料進行了化學成分分析，分析結果見表1。根據表1分析結果可以確認，取樣管道材料直管段為20碳素鋼，彎管段材料為25碳素鋼，與原設計的材料牌號相符。

表1 取樣材料的化學成分（%）

1.1.2 取樣材料的宏觀形貌

1.1.2 .1焊縫成型宏觀形貌

本次現場取樣試樣共兩塊(試樣1、試樣2)，見圖2，其中一塊試樣（試樣1）含有斷口，另一塊（試樣2）為相鄰斷口的試樣。

圖2 取樣材料的宏觀形貌

圖2（a）、圖2（b）為試樣1的內壁表面狀況及焊縫成型情況。從中可以觀察到管道內壁焊縫根部外形不連續，成型較差，局部有焊瘤，焊縫余高超標。

圖2（c）為試樣2內壁焊縫質量情況，可以看到焊縫余高較高，且焊縫存在不連續，局部區域存在錯邊及根部未焊透缺陷。值得注意的是緊靠斷口內壁焊縫成型表面呈自由表面特征，說明此處為斷弧地方，內壁的余高引起該處較大的應力集中。

綜上所述，該焊縫內表面成型較差，且根部存在局部未焊透超標缺陷。

1.1.2 .2試樣斷口的宏觀形貌

圖2(b)下方為本次管道斷裂斷口的全貌，整個斷口較為平坦，焊縫區域斷口上具有較為明顯的放射狀條紋，最左側下方呈纖維狀特征。該部位的斷口較為新鮮，說明為最終斷裂區域。斷口上沒有腐蝕特征，從整個斷口形貌及放射狀條紋可以判斷裂紋起裂部位在內壁焊縫根部區域。

圖3為起裂區域的放大照片，從中可以看出起裂部位存在焊縫疏松及未焊透缺陷，內壁根部焊縫余高呈自由表面特征，說明該部位在施焊過程中是斷弧部位，造成焊縫外形不連續，引起應力集中。

圖3 起裂部位斷口宏觀形貌

圖4為起裂區域照片，從中可以看出圍繞裂源部位擴展的半圓弧狀條紋，說明裂紋擴展呈鈍化再鈍化過程，具有疲勞擴展特征。

圖4 裂紋擴展條紋宏觀形貌

綜上所述，從試樣斷口的宏觀形貌分析，該斷口明顯呈脆性疲勞斷口特征。說明現場該區域的管道存在振動情況（經現場確認，該管段存在劇烈振動情況）。

1.2 失效原因綜合分析

（1）該管道化學成分符合相關標準要求。

（2）根據取樣材料焊縫宏觀檢查，該管道環焊縫（內壁）成型較差，焊縫余高超標。同時存在焊縫根部未焊透、疏松夾雜等超標缺陷，焊縫外觀不連續，因此該焊縫存在安裝遺留的超標缺陷,且裂紋源產生于安裝時的根部未焊透處。

（3）可以確認，本次造成管道破裂的原因是焊縫根部疏松和未焊透，在運行過程中由于管道異常振動，引發疲勞裂紋擴展直至最終造成管道破裂。

2 失效案例二

某鋼廠中壓主蒸汽管道，2009年，在運行過程中一處焊接接頭發生斷裂，斷裂時伴有巨大的響聲，管道完全斷開，并有較大變形，斷裂處附近支架亦損壞。該管道規格為?219×8 mm，工作壓力1.7 MPa，工作溫度492℃，管道材料12CrMoVG。斷口處位于一個三通與直管的對接焊縫上，此三通是連接疏水閥的，見圖5。

2.1 管道失效分析

2.1.1 宏觀檢查

焊口拉斷后，二斷口間距較大，見圖5，說明此焊口焊接時拘束應力較大。

圖5 管道發生斷裂部位

2.1.2 斷口的宏觀形貌

從斷口處可以看到有整圈未焊透缺陷，未焊透深度約1～4 mm，見圖6。因為此焊口是固定焊口，說明焊接時坡口型式、尺寸和間隙不合理。

2.2 失效原因綜合分析

（1）該焊口存在深度為1～4 mm的整圈未焊透缺陷；

（2）該焊口為固定焊口，焊接應力較大；

（3）在疏水閥附近，管道運行時可能產生水擊現象，增加了管道的負荷，造成管道異常振動；

（4）可以確認，本次造成管道破裂的原因是焊縫存在嚴重的未焊透缺陷，同時在應力和異常振動的作用下，促使了裂紋在此形核和發展，直至管道破裂。

3 失效案例三

某鋼廠一條高壓氧氣管道，管道規格?480×10 mm，材質1Cr18Ni9，工作壓力為3.0 MPa，工作溫度為常溫，投入運營時間為1997年1月。

該管道架空敷設，架空高度6 m，周圍環境噪聲較大。在對該管道進行全面檢驗時，首先對該管道進行了應力計算，確定出應力值較大的位置，從而有針對性地對這些位置進行宏觀檢查。宏觀檢查時發現，管體有一處穿透性裂紋，裂紋位于高頸法蘭與管道連接處，開裂方向垂直于管道軸線，開裂長度約200 mm，裂紋開口較大，斷面發黑，可見大量分叉紋路，缺陷外觀形貌見圖7。

圖7 裂紋宏觀形貌

3.1 管道失效分析

3.1.1 微觀形貌

起裂源位于法蘭母材，距焊縫熔合區約5 mm，裂紋分支眾多，基本上沿晶分布，也有部分穿晶，見圖8，與奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂形態一致，且該部位為應力值較大區域。

圖8 裂紋微觀形貌

3.1.2 腐蝕產物

對開裂處進行了腐蝕產物分析，發現晶界及沿晶斷口處含有S、Cl等元素，見圖9所示。

圖9 裂紋處腐蝕產物的成分

3.2 失效原因綜合分析

（1）法蘭頸部存在原始制造缺陷；

（2）該處應力載荷較大；

（3）可以確認，本次管道開裂的原因是法蘭頸部存在原始制造缺陷，在管道的荷載以及大氣中的水汽腐蝕作用的共同影響下，缺陷擴展直至穿透整個管壁，造成管道泄漏。

4 預防措施

為保證管道的安全運行，應注意以下幾點：

（1）在壓力管道安裝中，對焊接質量及無損檢測嚴格把關，避免焊縫中存在未焊透等超標缺陷；

（2）在壓力管道安裝中，嚴格把好法蘭等管件的產品質量關；

（3）從長期安全運行方面考慮，在全面檢驗中，應對管線進行應力分析計算，并對應力載荷較大的部位進行重點檢查；

（4）對管道存在異常振動的部位，尋找異常振動的原因，并采取有效的消振措施。

Pipeline Invalidation Case Studies and Preventive Measures in Metallurgical Industry

Gu Sulan Yang Huigu He Lei Yang Yuguang

This paper cited several invalidation cases of pressure pipeline.The chemical composition,macromorphology,metallographic structure and micro-morphology were analyzed by sampling,and found that the invalidation was caused by manufacturing defects,retained excessive welding defects during the installation,excessive stress load during the pipeline running or abnormal vibration.The effective way to solve the invalidation was to eliminate the manufacturing defects,excessive welding defects during the installation,excessive stress load during the pipeline running or abnormal vibration.

Pipeline；Invalidation；Prevention；Welding；Weld defects

TQ 055.8

*顧素蘭，女，1965年10月生，高級工程師。上海市，201900。

2011-01-11）