外取熱器松動風管失效原因分析

周 楊，錢曉龍，梁建活

（1.盛虹煉化（連云港）有限公司，江蘇連云港 222000；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

1 情況介紹

某石化企業催化裝置外取熱器發生泄漏，停工檢查發現取熱器內松動風管發生開裂（圖1）。該外取熱器于2010 年投用，最近一次檢修為2020 年3 月，同年4 月投入使用，本次運行累計使用7 個月。松動風管材料為347#，管內介質為空氣，工作壓力0.30～0.33 MPa，工作溫度600 ℃；松動風管外部管壁接觸殼程介質，工作壓力為0.22 MPa，工作溫度700 ℃；殼程介質為煙氣，其主要組分為氮氣、水、二氧化碳和一氧化碳，并含有微量硫化物。

圖1 失效部位及開裂形貌

2 理化分析

2.1 宏觀檢查

開裂彎頭解剖后的裂紋剖面和裂紋尖端斷裂面形貌如圖2 所示：失效彎頭部件焊縫中部存在縱向裂紋，裂紋長度約102 mm，開裂部位焊縫余高約5.5 mm；從剖面圖可以看出，彎頭內部未見明顯腐蝕痕跡；對焊縫開裂部位進行解剖發現，裂紋擴展方向為自松動風主管外壁向內壁擴展；將裂紋尖端沿斷裂面打開，發現已開裂部位呈黑褐色，判斷應為高溫條件下斷面金屬與煙氣中的氧氣發生高溫氧化后生成的氧化物薄膜。

圖2 開裂彎頭的裂紋剖面和裂紋尖端斷裂面形貌

2.2 壁厚測定

測定失效部位壁厚，直管壁厚11.8～12.2 mm，彎頭外側測厚11.1～12.4 mm。該彎頭公稱壁厚為11 mm，測厚值顯示未發生減薄現象。

2.3 化學成分分析

采用GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》，使用德國SPECTROMAXx 型固定式直讀光譜儀分析失效件母材和焊縫金屬化學成分，分析結果見表1。其中，“8C～1.00”表示該元素含量是碳元素（C）含量的8 倍，但最大值小于總重的1%。

表1 失效件化學成分

由表1 可知，失效件直管和彎頭部位母材化學成分符合ASME SA312 TP347 要求，未失效部位焊縫化學成分符合ASME SA312 TP347 焊條要求。ASME 即American Society of Mechanical Engineers，指美國機械工程師協會。由于失效部位焊縫化學成分中鉻（Cr）含量和鎳（Ni）含量明顯低于標準值，鉻含量僅為6.26%，鎳含量僅為2.4%，因此判斷該處焊縫的焊條未采用正常的不銹鋼焊條。

2.4 力學性能分析

依據GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗第1 部分 室溫試驗方法》在失效件直管母材和焊縫部位，分別取樣制備了標準拉伸試樣。使用745103-0008 型號AG-IC 萬能材料試驗機進行拉伸試驗，試驗結果見表2。其中，焊縫-1、焊縫-2 和焊縫-3均在斷裂部位為母材位置。

由表2 可知，失效件直管母材拉伸試驗結果符合ASME SA312 TP347 要求，焊縫部位拉伸試驗結果屈服強度和抗拉強度符合ASME SA312 TP347 要求，試件斷裂部位均位于母材處，表明失效件開裂部位焊縫強度要高于母材。

表2 常溫下失效件直管母材和焊縫部位拉伸性能

2.5 掃描電鏡和能譜分析

焊縫裂紋斷口形貌SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）微觀觀察，斷口表層全部覆蓋一層氧化物（圖3）。對斷口表面進行EDS（Energy DispersiveX-Ray Spectroscopy，能量色散X 射線光譜儀）分析，由圖4 和表3 可見，氧化物成分為Fe（鐵）、O（氧）或Fe、C、O 組成，判斷為鐵的氧化物和碳酸鐵（元素后的“K”表示測量時采用的線系）。這與圖2 的宏觀觀察互相印證。

表3 失效件斷口EDS 分析結果

圖3 失效件斷口SEM 形貌

2.6 金相分析

依據GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，使用德國卡爾蔡司Imager.A2m 光學顯微鏡，對失效件開裂部位進行金相檢驗，金相形貌如圖5～圖7 所示：從焊縫金屬外表面金相形貌可以看出，焊縫外表面存在一層厚度約150 μm 氧化層；從左右熔合線金相形貌可以看出，母材金屬外表面沒有明顯的氧化層，但從裂紋尖端形貌可以看出裂紋尖端有明顯的氧化。

圖5 開裂焊縫左右熔合線形貌

圖6 焊縫金屬外表面形貌

圖7 裂紋尖端形貌

3 失效原因分析

失效彎頭環焊縫焊縫中部存在縱向裂紋，裂紋自焊縫外表面向內表面擴展。焊縫外表面接觸殼程側介質，介質為煙氣和催化劑，煙氣中含有氧氣、一氧化碳、二氧化碳、氮氣、水及微量硫化物，介質溫度為700 ℃，在該工況下易發生高溫氧化、蠕變等損傷。另外，電鏡EDS 結果顯示斷口表面完全被鐵的氧化物和碳酸鐵覆蓋，金相分析結果顯示焊縫金屬外壁覆蓋一層約150 μm 氧化層，同時裂紋內部間隙也充滿氧化物，裂紋尖端也發生了氧化。

從焊縫金屬的化學成分分析可知，焊條材料不符合ASME SA312 TP347 材料要求，標準要求鉻含量在18%～21%，鎳含量在9%～11%。分析結果顯示，焊縫金屬中鉻含量僅為6.26%，鎳含量僅為2.4%。其中，鉻元素是耐氧化能力的主要合金元素，可在金屬表面生成致密穩定的三氧化二鉻，阻止鐵氧向金屬內部的進一步擴散，有效提高氧化性。焊縫金屬中鉻元素含量的不足，將導致焊縫金屬在殼程高溫接觸煙氣工況下發生高溫氧化，產生疏松的鐵氧化合物，在焊縫和熔合線等局部應力集中部位疏松的鐵氧化合物發生開裂，新鮮金屬表面進一步暴露發生氧化，疏松的氧化層在裂紋尖端這種應力集中部位繼續發生開裂，裸露新鮮金屬表面，這種過程不斷循環促使裂紋不斷擴展。因此，鉻含量不足是該處焊縫失效的直接原因[1-6]。

母材部位材料和未失效焊縫材料均符合要求，對應部位均未發生外表面開裂，且從金相結果顯示母材外表面沒有明顯的氧化層，也印證了該失效原因。

4 結論及建議

（1）焊縫開裂主要原因為焊材使用錯誤，未使用不銹鋼焊條，導致焊縫金屬在應用工況環境下發生高溫氧化，進而導致開裂發生。

（2）建議嚴格把控施工過程質量驗收關，停工定期檢驗過程中應對松動風管焊縫材料進行光譜分析，及時發現安全隱患。