鋯材管件的失效分析

蔣愛國

（上海華誼建設有限公司)

鋯材管件的失效分析

蔣愛國*

（上海華誼建設有限公司)

某化工企業裝置中，其鋯材 （Zr702）管件在生產過程和停車檢修時均發現裂紋，并且裂紋已經貫穿管壁。根據對出現裂紋的管件進行斷口分析和能譜分析可知，鋯管的開裂是沿晶開裂。引起鋯管開裂的因素包括力學因素、焊接因素以及溫度、介質因素等。

鋯管件 裂紋 失效分析 冷壓成形 焊接

0 前言

鋯是一種稀有金屬，由于具有優良的耐蝕性和高熔點、高強度等性能，一直被廣泛應用于航空、航天、軍工、原子能、醫學等領域。鋯及鋯合金已逐步進入化工行業，但因其價格較高，僅在一些腐蝕條件較為苛刻的場合得到應用。例如在醋酸主裝置中物料腐蝕性很強，其設備、管道、閥門及儀表等需采用價格昂貴的特種合金材料。醋酸工程由于其工藝的特殊性及介質的腐蝕性，常采用稀貴金屬鋯材和其他特殊鎳基合金材料制作設備和管道。鋯管道在化工行業使用時間較短，目前國內還沒有相關的設計、制造規范和標準。

本文針對某化工企業裝置中，鋯材 （Zr702）的板制管和管彎頭出現的裂紋情況，采用掃描電鏡和能譜對鋯管裂紋斷口進行了分析。結果表明，裂紋發生在基體金屬上，鋯管冷壓成形后，局部區域晶粒比較脆，易發生延晶開裂。從鋯管的外觀形貌來看，裂紋是從中間開裂的，并且已經穿透管壁。這也說明了開裂的原因是冷壓成形后應力沒有消除，再加上一定的溫度和介質因素共同作用，導致了鋯制管件的開裂。

1 鋯材Zr702的物化性質和機械性能

鋯材Zr702的主要化學成分及機械性能如表1所示。

鋯 （Zr）在862℃以下具有密排六方晶體結構(α)，高于這個溫度時轉變為體心立方結構 (β)。少量的雜質尤其是氧，影響鋯的轉變溫度。在鋯冷卻時的轉變過程中，會形成魏氏組織。鋯是一種延展性金屬，遠沒有鋼致密。鋯的熔點較高 (1845℃)，在高溫下化學性質比較活潑。鋯是一種活潑性金屬，相對于標準氧電極其25℃的氧化還原電位為-1.53 V，鋯與氧具有高的親和力。鋯材表面易形成一層保護性的氧化膜，該膜是在環境溫度和低于環境溫度下，在水和空氣中自然形成的。這種膜具有自恢復性，在300℃以下能保護母材免受化學腐蝕和機械沖擊。鋯對許多化學溶液有耐蝕性，鋯在大多數有機酸、無機酸、強堿和一些熔融態的鹽中均具有優良的抗蝕性。鋯材是原子能、化工、石油化學工業中一種重要的結構材料。

表1 鋯材Zr702主要化學成分及機械性能

2 鋯管的開裂及其原因

某化工企業在生產過程和停車檢修時發現，一些鋯板 (Zr702)制的管和管彎頭出現了開裂情況。以一冷彎成形的鋯管?60.3 mm×5.54 mm彎管(R= 76 mm)為例，該彎管在檢修時發現裂紋，如圖1、圖2所示，且鋯管母材上的裂紋已經貫穿了管壁。

圖1 鋯管在彎頭處的外部裂紋

圖2 鋯管在彎頭處的內部裂紋

從已開裂的鋯管上取長度約60 mm的試樣進行分析。開裂鋯管試樣的外觀形貌如圖3所示，表面經拋光后可見有兩處裂紋，一處裂紋長12 mm，另一處裂紋長約5mm。

圖3 鋯管內部裂紋的宏觀形貌

圖4所示為鋯管裂紋斷口掃描電鏡形貌，由圖可見斷口裂紋為沿晶裂紋。圖5所示為鋯管裂紋斷口上的能譜分析。由圖可見斷口處的化學成分主要為Zr。此外，有一處Cl含量為0.14%，另一處沒有雜質，可見腐蝕的可能性不大。

圖4 鋯管裂紋斷口掃描電鏡

從宏觀形貌、微觀形貌和開裂的位置及特征，并結合斷口處的能譜分析，可以確認鋯管的開裂是沿晶開裂。從開裂的鋯板冷壓制管和鋯材冷彎管來看，裂紋發生在基體金屬上，冷壓成形后該局部區域晶粒比較脆，易發生沿晶開裂。從鋯管裂紋的外觀形貌來看，裂紋是從中間開裂的，并且已經穿透管壁。這也說明了開裂是由冷壓成形引起的，由于應力沒有消除，再加上一定的溫度和介質共同的作用，導致了鋯管開裂。此外，裂紋出現在焊接熱影響區的邊緣，焊接使鋯管的性能變脆，這也是導致鋯管開裂的一個因素。

圖5 鋯管裂紋斷口能譜分析

3 制造措施

為了防止鋯管開裂，在加工制造過程中應當采取一些有效措施。要熟知管件制造的有關標準，在工藝文件中標明有關技術要求。對新的特殊材料要充分認識其特性，克服制造過程中出現的問題。對于鋯管的制造主要應注意以下幾個方面。

（1）熱壓、熱彎成形

鋯管管件的熱壓、熱彎溫度為550±20℃。熱壓、熱彎后須進行無損檢測。管件焊縫射線 （RT）檢測100%。管件表面滲透 （PT）檢測10%，若發現表面有裂紋，則須PT檢測100%。

表面裂紋采用打磨方法消除，打磨后須測厚，以確保材料滿足強度需要的厚度。較深的表面裂紋打磨后需進行補焊，以確保材料的厚度和質量。

（2）冷壓、冷彎后的熱處理

單層鋯的封頭、圓筒、殼體、彎管等構件成形后如需退火處理，退火溫度可為510～620℃，保溫時間不少于0.5 h/25mm。

鋯的焊后退火處理溫度宜為540～595℃。對于厚度不大于25 mm的工件，保溫時間應不少于1 h；對于厚度大于25 mm的工件，厚度每增加25 mm，保溫時間應延長0.5 h。

4 結論

鋯材管道彎頭處出現的裂紋已經貫穿管壁。從宏觀形貌、微觀形貌和開裂的位置及能譜分析看，鋯管的開裂是沿晶開裂。產生開裂的原因是冷壓成形時應力沒有消除。此外，溫度、介質和焊接因素也是引起開裂的重要因素。

為避免鋯管管件出現裂紋，管件尤其是彎頭加工制造時要注意冷壓、冷彎后的熱處理工藝控制。

[1]張國樣，陸恒敬，顧林飛，等.對鋯702特種管材焊接工藝控制與應用 [J].石油化工建設，2009，31（4）：53-55.

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大型LNG裝置壓縮機組實現國產化

沈陽鼓風集團為山東泰安昆侖能源有限公司研制的 60萬 t/a液化天然氣（LNG）裝置壓縮機組，2013年4月中旬通過了由國家能源局、中國機械工業聯合會、國家發改委重大裝備辦、國家能源液化天然氣技術研發中心組成的專家組的技術審核鑒定。專家表示，60萬t/a LNG裝置壓縮機組打破了國外技術壟斷，各項技術指標均達到國際同類產品先進水平。

據沈陽鼓風集團介紹，該集團為昆侖能源設計和制造的60萬t/a LNG裝置壓縮機組，是目前國內最大的混合冷劑壓縮機，也是國內第一臺雙混合冷劑壓縮機。經全壓全功率試驗，該壓縮機組各項指標達到API617標準要求。

所謂雙混合冷劑壓縮機，即對冷凝溫度不同的輕重烴類進行配比，得出兩種不同組分，重組分的一組用于裝置的預冷機組，輕組分的一組用于深冷機組。該機組采用重介質、高馬赫數模型級系列轉子，可確保轉子高速旋轉，對氣體介質做功，在中等量區域具有較高的效率和能頭，流量系數在0.06時，效率可達到 85%以上，能頭達0.6以上。機組還首次采用線元素三元葉輪和葉輪整體加工技術，保證了機組性能以及長周期運轉的可靠性。新的壓縮機全壓全功率試驗系統，采用世界工藝流程領先的代用氣體的閉式循環方案，實現了全工況的性能試驗，確保壓縮機氣動性能更安全可靠。

(錢伯章)

Failure Analysis of Zirconium Pipes

Jiang Aiguo

In the chemical device of a plant,cracks of zirconium (Zr702)pipes are found during production process and shutdown for maintenance,and the cracks have been run through the tube wall.According to the fracture analysis and spectrum analysis of the pipeswith cracks,the cracks are intergranular cracks.Factors causing cracks includemechanical factors,welding factors aswell as temperature and medium factors.

Zirconium pipe;Crack;Failure analysis;Cold briquetting;Welding

TQ 050.4

2013-01-15）

*蔣愛國，男，1960年生，工程師。上海市，200232。