鋯材管件的失效分析

蔣愛國(guó)

（上海華誼建設(shè)有限公司)

鋯材管件的失效分析

蔣愛國(guó)*

（上海華誼建設(shè)有限公司)

某化工企業(yè)裝置中，其鋯材 （Zr702）管件在生產(chǎn)過(guò)程和停車檢修時(shí)均發(fā)現(xiàn)裂紋，并且裂紋已經(jīng)貫穿管壁。根據(jù)對(duì)出現(xiàn)裂紋的管件進(jìn)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(xué)因素、焊接因素以及溫度、介質(zhì)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(yōu)良的耐蝕性和高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度等性能，一直被廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、原子能、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。鋯及鋯合金已逐步進(jìn)入化工行業(yè)，但因其價(jià)格較高，僅在一些腐蝕條件較為苛刻的場(chǎng)合得到應(yīng)用。例如在醋酸主裝置中物料腐蝕性很強(qiáng)，其設(shè)備、管道、閥門及儀表等需采用價(jià)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(zhì)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(shè)備和管道。鋯管道在化工行業(yè)使用時(shí)間較短，目前國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

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

1 鋯材Zr702的物化性質(zhì)和機(jī)械性能

鋯材Zr702的主要化學(xué)成分及機(jī)械性能如表1所示。

鋯 （Zr）在862℃以下具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)(α)，高于這個(gè)溫度時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu) (β)。少量的雜質(zhì)尤其是氧，影響鋯的轉(zhuǎn)變溫度。在鋯冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，會(huì)形成魏氏組織。鋯是一種延展性金屬，遠(yuǎn)沒有鋼致密。鋯的熔點(diǎn)較高 (1845℃)，在高溫下化學(xué)性質(zhì)比較活潑。鋯是一種活潑性金屬，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(hù)性的氧化膜，該膜是在環(huán)境溫度和低于環(huán)境溫度下，在水和空氣中自然形成的。這種膜具有自恢復(fù)性，在300℃以下能保護(hù)母材免受化學(xué)腐蝕和機(jī)械沖擊。鋯對(duì)許多化學(xué)溶液有耐蝕性，鋯在大多數(shù)有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸、強(qiáng)堿和一些熔融態(tài)的鹽中均具有優(yōu)良的抗蝕性。鋯材是原子能、化工、石油化學(xué)工業(yè)中一種重要的結(jié)構(gòu)材料。

表1 鋯材Zr702主要化學(xué)成分及機(jī)械性能

2 鋯管的開裂及其原因

某化工企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程和停車檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些鋯板 (Zr702)制的管和管彎頭出現(xiàn)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(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖1、圖2所示，且鋯管母材上的裂紋已經(jīng)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(nèi)部裂紋

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

圖3 鋯管內(nèi)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(xué)成分主要為Zr。此外，有一處Cl含量為0.14%，另一處沒有雜質(zhì)，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(jié)合斷口處的能譜分析，可以確認(rèn)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(lái)看，裂紋發(fā)生在基體金屬上，冷壓成形后該局部區(qū)域晶粒比較脆，易發(fā)生沿晶開裂。從鋯管裂紋的外觀形貌來(lái)看，裂紋是從中間開裂的，并且已經(jīng)穿透管壁。這也說(shuō)明了開裂是由冷壓成形引起的，由于應(yīng)力沒有消除，再加上一定的溫度和介質(zhì)共同的作用，導(dǎo)致了鋯管開裂。此外，裂紋出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)的邊緣，焊接使鋯管的性能變脆，這也是導(dǎo)致鋯管開裂的一個(gè)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(guò)程中應(yīng)當(dāng)采取一些有效措施。要熟知管件制造的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在工藝文件中標(biāo)明有關(guān)技術(shù)要求。對(duì)新的特殊材料要充分認(rèn)識(shí)其特性，克服制造過(guò)程中出現(xiàn)的問題。對(duì)于鋯管的制造主要應(yīng)注意以下幾個(gè)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(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。管件焊縫射線 （RT）檢測(cè)100%。管件表面滲透 （PT）檢測(cè)10%，若發(fā)現(xiàn)表面有裂紋，則須PT檢測(cè)100%。

表面裂紋采用打磨方法消除，打磨后須測(cè)厚，以確保材料滿足強(qiáng)度需要的厚度。較深的表面裂紋打磨后需進(jìn)行補(bǔ)焊，以確保材料的厚度和質(zhì)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(gòu)件成形后如需退火處理，退火溫度可為510～620℃，保溫時(shí)間不少于0.5 h/25mm。

鋯的焊后退火處理溫度宜為540～595℃。對(duì)于厚度不大于25 mm的工件，保溫時(shí)間應(yīng)不少于1 h；對(duì)于厚度大于25 mm的工件，厚度每增加25 mm，保溫時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)0.5 h。

4 結(jié)論

鋯材管道彎頭處出現(xiàn)的裂紋已經(jīng)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(chǎn)生開裂的原因是冷壓成形時(shí)應(yīng)力沒有消除。此外，溫度、介質(zhì)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(xiàn)裂紋，管件尤其是彎頭加工制造時(shí)要注意冷壓、冷彎后的熱處理工藝控制。

[1]張國(guó)樣，陸恒敬，顧林飛，等.對(duì)鋯702特種管材焊接工藝控制與應(yīng)用 [J].石油化工建設(shè)，2009，31（4）：53-55.

[2]周邦新，李強(qiáng) ，姚美意 ，等.鋯-4合金在高壓釜中腐蝕時(shí)氧化膜顯微組織的演化 [J].核動(dòng)力工程，2005，26（4）：364-371.

[3]彭倩，趙文金，李衛(wèi)軍，等.碘對(duì)N18鋯合金應(yīng)力腐蝕開裂的影響 [J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2005，17（1）：27-30.

大型LNG裝置壓縮機(jī)組實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化

沈陽(yáng)鼓風(fēng)集團(tuán)為山東泰安昆侖能源有限公司研制的 60萬(wàn) t/a液化天然氣（LNG）裝置壓縮機(jī)組，2013年4月中旬通過(guò)了由國(guó)家能源局、中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)、國(guó)家發(fā)改委重大裝備辦、國(guó)家能源液化天然氣技術(shù)研發(fā)中心組成的專家組的技術(shù)審核鑒定。專家表示，60萬(wàn)t/a LNG裝置壓縮機(jī)組打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。

據(jù)沈陽(yáng)鼓風(fēng)集團(tuán)介紹，該集團(tuán)為昆侖能源設(shè)計(jì)和制造的60萬(wàn)t/a LNG裝置壓縮機(jī)組，是目前國(guó)內(nèi)最大的混合冷劑壓縮機(jī)，也是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)雙混合冷劑壓縮機(jī)。經(jīng)全壓全功率試驗(yàn)，該壓縮機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到API617標(biāo)準(zhǔn)要求。

所謂雙混合冷劑壓縮機(jī)，即對(duì)冷凝溫度不同的輕重?zé)N類進(jìn)行配比，得出兩種不同組分，重組分的一組用于裝置的預(yù)冷機(jī)組，輕組分的一組用于深冷機(jī)組。該機(jī)組采用重介質(zhì)、高馬赫數(shù)模型級(jí)系列轉(zhuǎn)子，可確保轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)氣體介質(zhì)做功，在中等量區(qū)域具有較高的效率和能頭，流量系數(shù)在0.06時(shí)，效率可達(dá)到 85%以上，能頭達(dá)0.6以上。機(jī)組還首次采用線元素三元葉輪和葉輪整體加工技術(shù)，保證了機(jī)組性能以及長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。新的壓縮機(jī)全壓全功率試驗(yàn)系統(tǒng)，采用世界工藝流程領(lǐng)先的代用氣體的閉式循環(huán)方案，實(shí)現(xiàn)了全工況的性能試驗(yàn)，確保壓縮機(jī)氣動(dòng)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(guó)，男，1960年生，工程師。上海市，200232。