EO/EG裝置不銹鋼T型三通熱疲勞開裂失效分析

(華東理工大學 承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室，上海 200237)

0 引言

T型三通管是化工設備中常見的構件，主要用于不同性質的流體的混合與反應。當T型管用于不同溫度流體混合時，由于受到湍流溫度混合效應的影響，T型管內(nèi)和管壁處會產(chǎn)生一定程度的溫度波動。這種熱波動可傳遞至管材，產(chǎn)生交變熱應力，當這種交變應力達到一定程度，或產(chǎn)生在管道敏感部位時，容易引起管壁熱疲勞開裂，進而導致失效問題[1-4]，可能造成嚴重的后果，例如UK PFR(1992),Phenix(1992),CIVAX-1(1998),Mihama-2(1999)等事故[5]。國內(nèi)三通管熱疲勞失效案例多發(fā)生在高溫服役環(huán)境，常見于蒸汽管道。產(chǎn)生的裂紋多呈現(xiàn)龜裂狀，裂紋表面由于高溫或介質因素，存在氧化現(xiàn)象。然而，對于服役在較大溫差變化的環(huán)境中的構件，若發(fā)生疲勞開裂，即使未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀分布的裂紋，也需要考慮熱疲勞開裂的可能性。

某化工企業(yè)EO/EG(環(huán)氧乙烷/乙二醇)生產(chǎn)裝置服役一年后，其中一處不銹鋼管道的T型三通主管出口環(huán)焊縫位置發(fā)生了裂穿失效。該失效三通為水平安裝；采用06Cr19Ni10不銹鋼材料制造；支管豎直接入，由下至上注入介質；主、支管尺寸規(guī)格分別為?330 mm×15 mm，?170 mm×10 mm；支管運行介質為常溫EG水溶液(少量乙二醇與水混合)，運行壓力1.6 MPa；主管介質為水，工作溫度約143 ℃，運行壓力1.6 MPa。裂紋從三通內(nèi)壁產(chǎn)生并沿環(huán)向擴展,裂紋表面可見類似貝殼的弧狀條紋，并有大量附著物。本文通過一系列理化檢測手段對該T型三通開裂的原因進行分析。

1 T型三通檢驗分析

1.1 斷口分析

如圖1(a)所示，該T型三通所在管道整體呈F狀，主管經(jīng)過一段彎管后，與T型三通相連，之后焊接法蘭。三通主管水平安裝，通高溫水；支管從主管下部接入，注入常溫EG水溶液。

(a)管道安裝示意

(b)管外壁著色探傷

圖1 不銹鋼三通開裂位置

首先對管外壁進行著色探傷(見圖1(b))，確認裂紋位于三通主管出口環(huán)焊縫處。從外部觀察，裂紋位于三通主管出口底部環(huán)焊縫處，并沿環(huán)向開裂至主管側面，距離支管軸線位置約230 mm。圖2為軸向剖面試樣顯示開裂位置裂紋擴展情況。觀察發(fā)現(xiàn)三通主管出口焊縫焊趾兩側有2處裂紋，三通主管出口內(nèi)側裂紋較長且已穿透，標記為1#裂紋；三通主管出口外側(即靠近法蘭一側)裂紋較短且尚未穿透，標記為2#裂紋。管內(nèi)壁環(huán)焊縫位置呈現(xiàn)出棕褐色，疑似氧化產(chǎn)物。

圖2 從內(nèi)壁焊趾處產(chǎn)生的裂紋

通過機械手段將1#，2#裂紋打開。為獲取裂紋表面形貌信息，采用Hitachi S-3400N掃描電子顯微鏡對裂紋表面進行形貌觀察及能譜分析。

如圖3(a)所示，在1#裂紋表面可以較為清楚地觀察到分區(qū)情況；斷口整體平齊，基本沿著壁厚方向，表面較為粗糙，同樣有棕褐色物質附著，疑似氧化物，壁厚基本無減??；除靠近外壁部分為機械手段打開導致的材料塑性變形外，斷口其他位置沒有明顯的塑性變形現(xiàn)象。掃描電鏡下，可清楚看到裂紋表面存在沿壁厚方向擴展的平行條帶。對于06Cr19Ni10不銹鋼材料，形成這種紋路可能是疲勞或應力腐蝕造成的。因此，對1#裂紋表面進行了能譜分析，檢測表面元素殘留。結果顯示，裂紋表面主要組成元素為Fe,Cr，存在少量C,O,Si,Mn,Ni，未發(fā)現(xiàn)Cl,S等材料敏感元素，并推測顆粒物為金屬氧化物。根據(jù)上述對1#裂紋表面的觀察和分析，推測此情況為疲勞開裂[6]。

2#裂紋(見圖3(b))相較于1#裂紋開裂程度較淺，表面較為光整，壁厚方向上存在幾處明顯的條帶，內(nèi)壁可見幾處疲勞裂紋源；斷口上可見貝殼紋、但很不清晰。

(a)1#裂紋

(b)2#裂紋

圖3 裂紋表面形貌

通過掃描電鏡分別觀察1#裂紋萌生區(qū)和擴展區(qū)。在裂紋萌生區(qū)，通過放射紋的交匯點及貝殼紋的中心點可以判斷出某一裂紋源在內(nèi)壁的大致位置，如圖4(a)所示；通過高倍鏡觀察裂紋源(見圖4(b))，可以看到表面被大量顆粒物覆蓋，綜合宏觀觀察結果，可以推測出這種在表面普遍存在的顆粒物對應棕褐色物質；內(nèi)壁處依稀可見交錯分布的龜裂狀紋路的情況，一般是熱疲勞裂紋的特征；在擴展區(qū)，雖然表面同樣存在大量附著物，但是通過高倍鏡仍然可以觀察到疲勞輝紋(見圖4(c))，證明裂紋為疲勞裂紋。

圖4 1#裂紋掃描電鏡微觀形貌

1.2 介質分析

主、支管介質主要成分為水和EG水溶液。主管高溫水自換熱而來；支管EG水溶液為粗乙二醇溶液，除一定濃度乙二醇(包括多乙二醇)外，還含少量游離醛、鹽等輕雜質。乙二醇本身對設備材料不具有腐蝕性。同時通過對裂紋表面的能譜分析，介質中未發(fā)現(xiàn)存在S,Cl等對06Cr19Ni10材料敏感的元素，因此，可排除介質因素造成裂紋開裂的可能性。

1.3 T型三通材料分析

(1)成分分析。

利用ARL4460直讀光譜儀對管道母材和焊縫分別取樣并進行火花直讀光譜分析，測試結果如表1所示。測試結果與GB 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》[7]中對于06Cr19Ni10材料化學成分技術要求進行對比，除母材Cr，Ni含量略低于標準要求外，其他結果符合要求。

表1 失效三通化學成分分析結果 %

(2)硬度測試。

采用SHIMADZU HMV-2T顯微硬度計對母材進行維氏硬度試驗，硬度為218HV。測試結果符合GB 13296—2013中對于06Cr19Ni10材料硬度的要求(≤220HV)。

(3)金相分析。

通過線切割切取含有裂紋的管道剖面試樣進行金相分析。試樣通過冷鑲、磨制、拋光后，采用王水化學侵蝕，可以在表面觀察到焊縫位置以及焊縫兩側裂紋擴展情況，如圖5所示。

采用ZEISS Axio Observer A1m研究級倒置萬能材料顯微鏡觀察試樣的組織形態(tài)。由圖6的金相組織照片可以看出裂紋所在區(qū)域的顯微組織形貌及裂紋開裂趨勢。

圖6(a)為1#裂紋尖端金相照片，可以看出，焊縫區(qū)域組織為奧氏體組織，顯微組織正常。1#裂紋以穿晶型開裂特征為主。裂紋尖端較為尖銳，可以排除附著物導致腐蝕疲勞擴展的可能；端部不連續(xù)，存在較多擴展趨勢較為一致的小裂紋。這些小裂紋可能會發(fā)展成主裂紋，或被氧化物掩蓋，或產(chǎn)生一定深度的擴展。

圖5 試樣侵蝕后觀察到的兩處裂紋所在位置

(a)1#裂紋及焊縫區(qū)域組織

(b)2#裂紋及母材組織

圖6 裂紋顯微組織形貌 100×

圖6(b)為2#裂紋尖端金相照片，可以看出，2#裂紋所在區(qū)域的母材金相組織為奧氏體組織，顯微組織正常。裂紋尖端尖銳，同樣以穿晶型開裂特征為主。

1.4 小結

從斷口可以觀察到，裂紋產(chǎn)生于T型三通主管出口環(huán)焊縫兩側，并沿環(huán)向開裂；宏觀觀察斷口平整，表面可見明顯分區(qū)。通過掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)兩處裂紋表面具有貝殼紋、疲勞輝紋等疲勞開裂特征；內(nèi)壁可見龜裂狀裂紋，符合熱疲勞開裂特征。對裂紋表面進行能譜分析，未發(fā)現(xiàn)易導致06Cr19Ni10材料應力腐蝕開裂的S,Cl等元素，排除應力腐蝕開裂的可能性，確認表面附著物為金屬氧化物。初步推測此次開裂與三通內(nèi)冷熱流體摻混、對下游管道結構所造成的溫度交變有關。

從管道母材及焊縫成分分析結果來看，管道材料成分并無明顯異常，同時對母材進行了硬度測試，結果滿足相關標準。

從金相分析結果看，該不銹鋼三通管道母材及焊縫組織均為奧氏體，未發(fā)現(xiàn)異常情況。兩處裂紋端部尖銳，均為穿晶裂紋，可以排除由于表面附著物導致腐蝕疲勞開裂的可能性。

2 三通受力分析

綜合上述信息，判斷EO/EG(環(huán)氧乙烷/乙二醇)裝置不銹鋼管道三通環(huán)焊縫位置開裂屬于熱疲勞開裂，在介質壓力、熱應力等因素共同作用下擴展，最終造成失效。材料的疲勞失效與載荷的交變相關聯(lián)，可以認為，沒有交變載荷就不會有疲勞失效。而當交變載荷作用在材料上時，會引起交變應力。將構件在溫度交變循環(huán)中因熱應力(溫差應力)的交變循環(huán)而發(fā)生疲勞失效的情況歸結為熱疲勞失效。

2.1 交變應力的來源

此次發(fā)生失效的部位可視為一個T型三通管。通過ANSYS軟件對管內(nèi)流場進行分析，設定主、支管介質分別按143 ℃/1.6 MPa,25 ℃/1.6 MPa穩(wěn)定注入，主、支管徑比約為2∶1，屬于偏轉射流，如圖7(a)所示。支管內(nèi)介質流向垂直于主管介質流向，會打破原先管內(nèi)穩(wěn)定的速度場和溫度場，在管內(nèi)偏支管入口處形成摻混區(qū)。由于不同溫度流體密度、黏度以及速度矢量不同，因此摻混區(qū)內(nèi)冷熱流體逐步混合，在兩種溫度流體間可以看到較為明顯的溫度邊界。對焊縫位置截面獲取溫度分布，如圖7(b)所示，可以確定管底部焊縫受到了支管冷流的溫度影響，形成一定溫度梯度。

(a)三通內(nèi)溫度場(軸向)

(b)焊縫位置截面溫度分布

圖7 介質穩(wěn)定注入時三通內(nèi)溫度分布模擬

在實際過程中，流場是瞬時變化的。由于摻混區(qū)渦旋不穩(wěn)定，管內(nèi)流場會產(chǎn)生垂直震蕩與分離[8]，加上受流體密度影響，冷流趨向于貼底部流動，考慮到流體注入時垂直向上的動量，導致混合邊界會不斷變動，從而在下游管道壁面產(chǎn)生溫度波動、形成溫度交變。已有的試驗研究表明，三通部位流體混合產(chǎn)生的溫度交變可能會引起周期性的熱應力和隨后的疲勞裂紋，且這種溫度交變的頻率基本集中在1～10 Hz[9],產(chǎn)生高周疲勞；此外，發(fā)現(xiàn)在0.01～10 Hz的溫度交變頻帶中，管壁產(chǎn)生的裂紋擴展速率較大。

延長管道長度，模擬介質混合的空間分布，如圖8所示。結合Schuler等[10]的試驗研究，T型三通內(nèi)波動可以影響至支管下游20個主管徑尺寸(x/Dm=20)的流程，其中溫度波動強烈的流程長度約為6個主管徑尺寸(6Dm)；同時提取開裂位置的溫度波動數(shù)據(jù)，可以看出溫度波動平均值約為40 K，頻率約為0.3 Hz。

(a)

(b)

2.2 強烈溫度交變位置及溫度交變敏感部位

三通主管出口側管壁產(chǎn)生強烈溫度交變的位置會受到支管的安裝位置、主/支管徑比、支管射流類型等[11-12]多種因素影響；這些位置基本集中在主/支管交匯處(支管口沿主管方向內(nèi)壁兩側)；T型三通支管接入處正對面管壁以及支管上部管壁處，如圖9所示[13]。

管道環(huán)焊縫通常會存在殘余焊接應力。在交變應力的作用下，應力集中部位最容易產(chǎn)生疲勞裂紋；若焊縫處在三通主管出口側溫度交變強烈的位置，則易萌生熱裂紋。文中所分析三通的裂紋產(chǎn)生于主管出口環(huán)焊縫焊趾處，與支管軸線距離約為230 mm，不足一個主管徑長度(Dm=330 mm)；裂紋環(huán)向開裂，證明此處軸向應力水平較高。已有研究[13]顯示，對于典型的T型三通，通過彈塑性加載循環(huán)對三通主管出口進行應力應變分析，結果顯示三通主管出口一定距離的內(nèi)壁會先產(chǎn)生開裂，且環(huán)向開裂的趨向性更大。同時，有試驗表明[5]，對于受到溫度交變影響的管道環(huán)焊縫，在設定溫差(120～140 ℃)、設定介質(水)、一定的交變頻率(0.125～0.2 Hz)下，不同表面粗糙度的環(huán)焊縫經(jīng)一定次數(shù)溫度交變后均會產(chǎn)生熱疲勞開裂，且裂紋穿晶擴展，裂紋表面存在明顯的氧化情況，與此次失效相似。

圖9 可能產(chǎn)生強烈溫度交變的位置

2.3 溫度交變衰減

三通內(nèi)介質混合帶來的劇烈溫度交變是管道發(fā)生疲勞的重要原因之一，而讓三通內(nèi)溫度交變能夠衰減，需要使冷、熱介質盡可能快速、均勻地混合。有關T型三通內(nèi)冷、熱介質混合溫度波動削弱機制研究[8]中提出，通過改變T型三通管內(nèi)冷、熱介質混合位置，可有效改善管內(nèi)介質摻混和壁面熱波動的情況。改變介質混合位置，可通過添加支管布液器、噴管等裝置實現(xiàn)，將聚集在壁面的摻混區(qū)域轉移至管中心位置；與此同時，對于管子整體需要重新進行流量計算，確定管道固有頻率，避免由于流體混合與管道產(chǎn)生共振[14]。

圖10 支管45°斜接后管道內(nèi)介質混合分布模擬

此外，對于工業(yè)流體管道，可通過改變?nèi)ㄖЧ芙尤虢嵌雀纳乒軆?nèi)介質混合情況。當支管介質入射角為60°,45°時，均能使混合波動快速衰減；60°入射在衰減后仍有起伏，45°入射為最快穩(wěn)定的角度[15]。將支管接入角度調整為45°進行模擬，如圖10所示。對比圖8可以發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)混合區(qū)域有所減小，同時底部壁面溫度有所提升。

3 結語

(1)T型三通主管出口環(huán)焊縫在主、支管介質混合產(chǎn)生的交變熱應力作用下，產(chǎn)生熱疲勞開裂。宏觀觀察，裂紋未顯現(xiàn)出常見熱疲勞裂紋的龜裂狀特征，但從產(chǎn)生的機理上判斷，屬于熱疲勞裂紋。

(2)應改變主管出口環(huán)焊縫位置，增加焊縫與介質混合區(qū)域的距離(約6個主管徑以上距離)，避免受到強烈的溫度交變作用。

(3)可安裝支管布液器、噴管等裝置；或改變支管接入角度，改善混合區(qū)溫度交變情況。