電廠用不銹鋼EH油管開裂失效分析與防護(hù)

摘 要：某電廠鍋爐用不銹鋼EH油管發(fā)生開裂，采用合金成分分析、能譜分析、顯微硬度和金相組織觀察對(duì)開裂泄露的不銹鋼油管進(jìn)行了檢測(cè)分析。結(jié)果表明：不銹鋼EH油管合金成分符合要求，金相組織正常。能譜分析在裂紋縫隙中檢測(cè)到Cl元素和S元素。顯微硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，越靠近裂紋，其硬度值越低。結(jié)合EH油管運(yùn)行環(huán)境，油管開裂的主要原因是由于潮濕的工作環(huán)境下吸收空氣中的水分及游離態(tài)的Cl離子，形成腐蝕性介質(zhì)，在工作壓力和殘余應(yīng)力作用下產(chǎn)生由外向內(nèi)擴(kuò)展的應(yīng)力腐蝕開裂。

關(guān)鍵詞：EH油管;應(yīng)力腐蝕;顯微硬度;能譜分析;氯離子

1 引言

供油系統(tǒng)是火力發(fā)電廠汽輪機(jī)三大本體系統(tǒng)之一[1]，其中EH油系統(tǒng)占據(jù)供油系統(tǒng)的一半。一旦EH油系統(tǒng)發(fā)生失效，就會(huì)嚴(yán)重影響正常的發(fā)電，從而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。EH油系統(tǒng)主要部分包括供油部分、執(zhí)行部分、應(yīng)急遮蔽部分以及油管路部分。根據(jù)電廠檢修規(guī)程，需要經(jīng)常對(duì)供油部分、執(zhí)行部分和應(yīng)急遮蔽系統(tǒng)的定期維護(hù)。因此，造成EH油系統(tǒng)最常見失效的是管路部分，包括法蘭墊圈老化失效[2]、焊接缺陷失效[3]、油管破裂失效[4-7]等。本論文將以某電廠EH油管路失效案例為模型，分析其失效原因，并對(duì)后續(xù)維護(hù)提出相應(yīng)建議。

某熱電廠于2020年11月發(fā)現(xiàn)1#機(jī)組的一根EH油管存在大量漏油現(xiàn)象，并影響了軋機(jī)的生產(chǎn)。由于開工投產(chǎn)在即，為保證投產(chǎn)運(yùn)行安全，需要在較短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地查明泄漏的原因。從而為其他管道的正常使用提供參考，避免類似事故的發(fā)生。

EH油管設(shè)計(jì)材質(zhì)為304鋼，設(shè)計(jì)規(guī)格為20×2.5mm，自投入使用后累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約7萬(wàn)小時(shí)，運(yùn)行壓力14MPa，運(yùn)行溫度21～55℃，介質(zhì)為汽動(dòng)抗燃油。

2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)宏觀判別EH油管路開裂特征類型;通過材質(zhì)分析，確定材料成分。對(duì)失效EH油管路進(jìn)行取樣，經(jīng)過打磨，拋光，再用稀王水進(jìn)行腐蝕。通過LSM700激光共聚焦顯微鏡對(duì)開裂油管金相組織進(jìn)行分析，根據(jù)裂紋走向判別裂紋發(fā)展情況變化。使用MHVS-30V顯微硬度計(jì)對(duì)金相觀察后的試樣進(jìn)行硬度測(cè)量，得到硬度數(shù)據(jù)。直接取樣經(jīng)過超聲振動(dòng)并吹干，通過能譜分析（EDS）得出裂紋中的氧化物的化學(xué)成分。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 宏觀形貌分析

圖中方框部分為彎管背弧局部區(qū)域放大圖。彎管側(cè)弧位置存在較明顯的宏觀裂紋，沿主裂紋附近有不同程度的細(xì)小分支，整條裂紋呈斷續(xù)狀，最長(zhǎng)的裂紋長(zhǎng)度約有30mm。另外，EH油管外表面存在輕微劃傷及磨損痕跡，管外壁有不同程度的點(diǎn)蝕，尤其在背弧側(cè)腐蝕區(qū)域逐漸連續(xù)，如圓圈內(nèi)標(biāo)識(shí)。

3.2 合金成分分析

EH油管試樣管壁上進(jìn)行合金成分分析，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：DL/T991-2006，儀器型號(hào)：NitonXL2型合金分析儀，編號(hào)：57783。

表1中一并列出GB/T 20878-2007中06Cr19Ni10（304）鋼標(biāo)準(zhǔn)值，比較可見。EH油管試樣合金成分滿足06Cr19Ni10（304）鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 顯微硬度分析

采用MHVS-30V顯微硬度計(jì)，從裂紋附近至遠(yuǎn)離裂紋依次進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)。試驗(yàn)參數(shù)為：載荷200 g，加載時(shí)間10 s，壓頭類型為正四棱錐金剛石， 測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。數(shù)據(jù)顯示，越靠近裂紋位置，其硬度值越小。遠(yuǎn)離裂紋處EH油管基體母材硬度值為225 HV，符合DL/T 438-2016 《火力發(fā)電廠金屬技監(jiān)督規(guī)程》中要求范圍。

3.4 金相組織形貌

在帶有裂紋的彎管背弧進(jìn)行取樣，對(duì)試樣打磨、拋光后，用稀王水進(jìn)行腐蝕。用激光共聚焦顯微鏡對(duì)EH油管橫截面進(jìn)行觀察。圖2是油管橫截面金相組織形貌，其中圖2a是整個(gè)橫截面金相組織形貌。整條裂紋宏觀是垂直管壁向內(nèi)發(fā)展，裂紋總長(zhǎng)約2.1mm，約占整個(gè)壁厚的84%。裂紋由外壁形成逐漸向內(nèi)壁擴(kuò)展。圖2b和圖2c分別是裂紋中間位置和裂紋尖端位置的局部放大圖，圖中顯示主裂紋周邊存在許多小裂紋，呈樹枝狀分布，尤其裂紋尖端附近更為明顯。圖2中裂紋內(nèi)未見明顯腐蝕和氧化產(chǎn)物。在遠(yuǎn)離裂紋位置的基體金相為奧氏體，組織均勻，晶界上未見明顯碳化物析出[5-7]。

圖2d是圖2c中方框位置局部放大200倍后的金相組織，為均勻的奧氏體。裂紋包含穿晶裂紋和沿晶裂紋兩種，晶界上未見明顯析出物和老化現(xiàn)象。

3.5 能譜分析

為了更準(zhǔn)確的了解EH油管內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的含量及變化趨勢(shì)，分別選取裂紋中間位置和裂紋尖端附近的位置進(jìn)行能譜分析，對(duì)應(yīng)檢測(cè)位置如圖4和圖5所示。圖4和圖5是位置的能譜分析結(jié)果對(duì)應(yīng)譜圖5和譜圖7位置，能譜分析具體數(shù)值結(jié)果見表3。由能譜分析結(jié)果可見，兩處裂紋中均可檢測(cè)出氯離子的存在，且在圖譜5位置檢測(cè)到0.36Wt.%的硫元素，且C含量和O含量都偏高。值得注意的是氯離子正是誘發(fā)奧氏體不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕的敏感性元素[8，9]。

4 原因分析與建議

對(duì)EH檢測(cè)結(jié)果顯示，油管合金成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，基體金相組織為奧氏體，且在晶界處無(wú)明顯的析出物。綜合宏觀顯示EH油管外面較多的點(diǎn)蝕坑分布、呈樹根狀多分支裂紋形態(tài)和能譜檢測(cè)出Cl元素和S元素等特征，該種特征屬于應(yīng)力腐蝕開裂特征[5]。

金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂有三種特定的條件： 1）金屬材料本身對(duì)SCC的敏感性;2）特定組織環(huán)境（包括腐蝕介質(zhì)、濃度、溫度）;3）引起應(yīng)力腐蝕開裂的拉引力。

a）在對(duì)裂紋內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，裂紋中存在Cl及S等鹵系元素。奧氏體不銹鋼對(duì)鹵化物元素是十分敏感的。除了氯和鹵元素外，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕還必須有氧存在[10]。圖譜5位置氧元素含量高達(dá)41.12Wt.%，這與裂紋中檢測(cè)出較高含量的氧元素得到證實(shí)。

b）送檢的EH油管所處位置外部環(huán)境相對(duì)比較封閉，工作運(yùn)行溫度高于室溫，油管有少許發(fā)生泄漏時(shí)，極易形成比較潮濕的環(huán)境。EH油中除了存在少量水分外，還會(huì)存在極少量的雜質(zhì)離子，如Cl等[11]。當(dāng)形成潮濕環(huán)境后，首先會(huì)在油管表面形成腐蝕凹坑（點(diǎn)蝕坑）。隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，腐蝕凹坑會(huì)逐漸吸收空氣中水分和游離態(tài)的Cl和S等元素，形成局部Cl和S溶液[12]。根據(jù)能譜分析表明，靠近外壁裂紋5號(hào)位置處Cl離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)8.73%，S離子的含量為0.36%。7號(hào)位置處Cl離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)1.93%，沒有S離子。該結(jié)果說明早期裂紋中Cl含量明顯高于裂紋尖端附近的Cl離子含量。Cl元素和S元素在裂紋尖端（或點(diǎn)蝕坑底）等位置產(chǎn)生了濃縮聚集，隨著時(shí)間的積累，使得在裂紋尖端（或點(diǎn)蝕坑底）環(huán)境符合應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)條件。

c）裂紋產(chǎn)生的位置主要分布在彎管背弧位置，說明在背弧位置存在成形加工的殘余應(yīng)力[13，14]。在油管工作內(nèi)壓作用下，會(huì)在管子外壁造成的拉應(yīng)力。

綜上分析，EH油管裂紋產(chǎn)生的原因是由于長(zhǎng)期在工作環(huán)境潮濕，首先形成點(diǎn)蝕坑，然后形成腐蝕性介質(zhì)，產(chǎn)生由外向內(nèi)擴(kuò)展的應(yīng)力腐蝕開裂。

顯微硬度顯示越靠近裂紋附近，EH油管硬度值越低。在裂紋中檢測(cè)C含量和Cr含量高于正常組織，說明在裂紋處有C-Cr化合物析出[9]。在奧氏體不銹鋼中常見的碳化物為Cr23C6[7，9]。由于碳化物沿晶界沉淀，導(dǎo)致了在相鄰晶粒中的Cr 濃度的降低，打破晶界和晶粒間原有的平衡，使得晶粒內(nèi)含鉻量不足而使材料抗腐蝕能力下降。由此往復(fù)，會(huì)在應(yīng)力腐蝕作用下晶界處連成網(wǎng)狀的晶間腐蝕，即在主裂紋周邊形成樹根狀的細(xì)小裂紋。

針對(duì)EH油管發(fā)生應(yīng)力腐蝕做出的建議措施：

1）EH油系統(tǒng)一旦發(fā)生泄漏，應(yīng)盡早修復(fù)。

2）保持運(yùn)行環(huán)境干凈，通風(fēng)，避免潮濕環(huán)境形成。

3）定期對(duì)EH油管路的焊接位置和應(yīng)力集中位置進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，防止管路開裂等缺陷。

5 結(jié)論

EH油不銹鋼管泄漏原因是該段管路工作環(huán)境潮濕，在彎曲殘余應(yīng)力和工作內(nèi)應(yīng)力作用下，吸收了空氣中的水分和Cl離子，形成腐蝕性介質(zhì)，產(chǎn)生由外向內(nèi)擴(kuò)展的應(yīng)力腐蝕開裂，最終導(dǎo)致不銹鋼EH油管的開裂。

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作者簡(jiǎn)介：

姓名：張杰，1992年1月，男，漢族，籍貫：河北省新樂市，設(shè)備主管，大專，單位：山東萬(wàn)通石油化工集團(tuán)有限公司，研究方向：設(shè)備管理。