高壓蒸汽管道三通使用十萬(wàn)小時(shí)后性能分析

王道銀，楊迎春

（云南云天化股份有限公司，云南昆明 650300）

云南天安化工有限公司是云南云天化股份有限公司下屬的一家以生產(chǎn)合成氨和磷肥的大型企業(yè)，公司位于昆明安寧市，主要生產(chǎn)裝置有殼牌煤氣化、5×105t/a 合成氨、三臺(tái)150 t/h 高溫分離循環(huán)流化床鍋爐以及兩套835 硫酸磷酸和磷肥生產(chǎn)裝置等。

天安化工有限公司的鍋爐、煤氣化和合成氨生產(chǎn)裝置始建于2003 年，2007 年裝置陸續(xù)建成投產(chǎn)后進(jìn)入生產(chǎn)正常運(yùn)行階段。其中循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)的高溫高壓蒸汽主要供余熱汽輪發(fā)電機(jī)組、空分壓縮機(jī)組、合成壓縮機(jī)組和煤氣化裝置使用。自2007 年鍋爐裝置投產(chǎn)以來(lái)，高壓蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行近十三年，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約十萬(wàn)小時(shí)。

2020 年1 月28 日，鍋爐系統(tǒng)高壓蒸汽管網(wǎng)母管與汽輪發(fā)電機(jī)組的蒸汽管道連接三通發(fā)生泄漏，造成鍋爐緊急切換備用爐，汽輪發(fā)電機(jī)組緊急停機(jī)，給生產(chǎn)造成了一定的影響。因蒸汽母管系統(tǒng)上還有三只同類(lèi)型號(hào)的管道三通，無(wú)法判斷這些三通是否發(fā)生了材質(zhì)劣化，是可以繼續(xù)使用還是要準(zhǔn)備備件進(jìn)行更換，需要對(duì)發(fā)生故障的管道三通進(jìn)行準(zhǔn)確的材質(zhì)分析，根據(jù)材質(zhì)分析數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)評(píng)定其余在役三通使用十萬(wàn)小時(shí)后的性能狀況，為下一步的工作提供科學(xué)決策依 據(jù)。

1 三通使用情況及故障位置

鍋爐供汽采用母管制結(jié)構(gòu)，為外界生產(chǎn)裝置提供蒸汽，鍋爐正常生產(chǎn)時(shí)為2 開(kāi)1 備。鍋爐額定出力為150 t/h，操作壓力為9.8 MPa，操作溫度為540 ℃，工藝介質(zhì)為高溫高壓蒸汽。

2020 年1 月28 日，供汽管網(wǎng)三通出現(xiàn)泄漏，具體位置是主蒸汽母管至汽輪發(fā)電機(jī)組管道三通上，泄漏點(diǎn)位于三通的肩部，長(zhǎng)約20 mm，已開(kāi)裂穿透，裂紋為縱向方向開(kāi)裂。

該管道三通材質(zhì)為12Cr1MoVG， 規(guī)格為φ450×38/273×25 mm， 管 道 號(hào) 為HS-3204-375-HXGH1-H10。在供汽系統(tǒng)的同一根母管上，還有三個(gè)同樣型號(hào)、規(guī)格和同批次投入使用的三通。

三通在蒸汽母管系統(tǒng)中所處位置見(jiàn)圖1 所示。

圖1 三通在蒸汽系統(tǒng)中位置Fig.1 Position of tee in steam system

2 三通材質(zhì)分析情況

2.1 分析項(xiàng)目

三通發(fā)生開(kāi)裂泄漏，可能與三通材質(zhì)成分及金相組織等有關(guān)。

為了準(zhǔn)確分析判斷該三通與其余另外三個(gè)三通的材質(zhì)情況，擬定了以下分析項(xiàng)目：

三通材質(zhì)化學(xué)成分、機(jī)械性能（包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、硬度、20 ℃沖擊功值）以及材料的金相組織和珠光體球化情況（分別取三通壁厚斷面外表面、中部、內(nèi)表面三個(gè)試樣）等。

2.2 化學(xué)成分分析

在三通本體母材上取樣，送云南省黑色冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1 所示。

表1 化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 1 Comparison table of chemical composition analysis data %

從化學(xué)成分分析結(jié)果看，三通材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（GB/T 5310—2017）要求，是合格的。

2.3 機(jī)械性能分析

在三通上取樣，進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、20 ℃沖擊功以及硬度檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2 所示。

表2 機(jī)械性能分析數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 2 Comparison table of mechanical performance analysis data

從三通的樣品機(jī)械性能分析數(shù)據(jù)結(jié)果可知，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率以及布氏硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但20 ℃沖擊功吸收能量值均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，平均為24 J，僅為標(biāo)準(zhǔn)值的60%。

2.4 金相組織分析

管道三通壁厚較厚（38 mm），為了比較全面分析材質(zhì)金相組織情況，在三通壁厚方向的外表面、中部和內(nèi)表面分別各取一個(gè)樣品，分別進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果見(jiàn)圖2～4 所示。

圖2 材料外表面金相組織Fig.2 Metallographic structure of the outer surface of the material

圖3 材料中部金相組織Fig.3 Metallographic structure in the middle of the material

從壁厚的外表面、中部和內(nèi)表面三個(gè)不同部位的金相組織分析可知，金相組織均為鐵素體+珠光體組織，球化程度不均勻，球化級(jí)別為4 級(jí)（約80% ～ 85%）+2 級(jí)（約15% ～ 20%）。材料內(nèi)表面金相組織存在帶狀組織現(xiàn)象，帶狀組織級(jí)別為2.5 A。

3 分析討論

從三通樣品的化學(xué)成分分析結(jié)果看，材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明管道三通材料成分沒(méi)有問(wèn)題。

樣品的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、布氏硬度分析結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，說(shuō)明三通材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

但是樣品的20 ℃沖擊吸收能量三個(gè)值都比標(biāo)準(zhǔn)要求低，平均沖擊吸收能力值僅有24 J，僅為標(biāo)準(zhǔn)要求的60%，說(shuō)明材料的塑性和韌性較差，在使用過(guò)程中容易發(fā)生脆性開(kāi)裂。

管道三通在制造過(guò)程中，無(wú)論采用冷成型或者熱擠壓的方式，肩部轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力都是最大的，此處是三通應(yīng)力集中部位，使用過(guò)程中由于材質(zhì)塑性和韌性變差，應(yīng)力集中部位極易發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

從三通開(kāi)裂處的宏觀(guān)檢查看，該裂紋屬于脆性開(kāi)裂，呈明顯的脆性斷裂斷口特征。

材料金相組織中的帶狀組織是鋼材內(nèi)部缺陷之一，一般出現(xiàn)在熱軋低碳鋼的顯微組織中，沿軋制方向平行排列，成層狀分布，主要形成原因多為鋼材成分偏析造成或者熱處理冷卻過(guò)程中鐵素體發(fā)生枝晶偏析和非金屬夾雜延伸而形成的。帶狀組織使鋼材的力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，沿著帶狀組織縱向強(qiáng)度較高，韌性較好，但橫向方向的強(qiáng)度較低、韌性較差。

由于材料中存在帶狀組織，使得材料的沖擊功值較低，材料塑性較差，脆性較大，長(zhǎng)期使用存在發(fā)生脆性開(kāi)裂的可能性，有一定的安全隱患。

4 分析結(jié)論

從三通的材質(zhì)化學(xué)成分、機(jī)械性能分析數(shù)據(jù)分析，材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，機(jī)械強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，但是材料存在著帶狀組織，使得材料的韌性較差，沖擊功值較低，大部分金相組織球化級(jí)別達(dá)4 級(jí)（重度球化），材料性能已經(jīng)發(fā)生了部分劣化，使用性能已有所下降，以致三通在使用了約10 萬(wàn)小時(shí)后在應(yīng)力集中的肩部發(fā)生了開(kāi)裂現(xiàn)象。根據(jù)上述分析情況，在具備條件的情況下，還是應(yīng)該盡快準(zhǔn)備備件進(jìn)行更換。

根據(jù)上述分析結(jié)論，天安化工有限公司于2020年2 月份已將泄漏三通進(jìn)行了更換，剩余三通于2020 年5 月份進(jìn)行了更換，至今運(yùn)行正常，確保了蒸汽系統(tǒng)以及其他生產(chǎn)裝置的安全可靠運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

大型合成氨生產(chǎn)裝置高溫高壓蒸汽系統(tǒng)的管道三通是系統(tǒng)中的重要組成部件，正常使用壽命一般在二十萬(wàn)小時(shí)以上，對(duì)于僅使用十萬(wàn)小時(shí)左右但出現(xiàn)了異常泄漏故障的材質(zhì)，進(jìn)行了徹底全面的材質(zhì)分析。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)了材料本身存在的質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)準(zhǔn)確判斷同批次材質(zhì)性能提供了科學(xué)的依據(jù)。同時(shí)也將這批次的管道三通存在的埋藏隱患消除，保障了蒸汽系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。此外，在材料備件采購(gòu)過(guò)程中，應(yīng)特別重視管道三通原材料質(zhì)量、制造過(guò)程質(zhì)量和熱處理過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控，把問(wèn)題發(fā)現(xiàn)和處理在過(guò)程中，不讓有缺陷的產(chǎn)品使用到生產(chǎn)裝置上，才能確保生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。