供氧管道不銹鋼異徑管組件短期損壞的原因分析

陳浩

（內(nèi)蒙古特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院呼倫貝爾分院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008）

某公司生產(chǎn)車間一臺(tái)反應(yīng)釜在運(yùn)行中突發(fā)事故，釜內(nèi)物料大量噴出并起火。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，是該反應(yīng)釜與供氧管道連接處的異徑管組件損壞造成的。據(jù)了解，該反應(yīng)釜的累積工作時(shí)間還不到三個(gè)月。那么，異徑管組件這么快損壞的原因是什么呢？為了查明異徑管組件損壞的原因，我們對(duì)失效的異徑管組件進(jìn)行了一系列的觀察和檢驗(yàn)。

1 設(shè)備概況

反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)壓力為2.0MPa，設(shè)計(jì)溫度為175℃，工作壓力為1.6MPa，工作溫度為150±5℃，供氧管道內(nèi)的氧氣壓力比釜內(nèi)壓力高0.2～0.3MPa，異型管的型號(hào)為DN100/DN65 SCH20，異徑管組件由大法蘭、異徑管、小法蘭焊接組成，異型管、大小法蘭的設(shè)計(jì)材質(zhì)均為316L。

2 宏觀檢查

異徑管組件的三個(gè)元件是由四條角焊縫（兩條內(nèi)焊縫的接頭形式為搭接接頭，兩條外焊縫的接頭形式為T型接頭）連接起來(lái)的，見(jiàn)圖1示意圖。

圖1

圖2 為失效異徑管組件實(shí)物圖片。損壞部位為異徑管，裂口呈“U”型，裂口范圍上到異徑管大徑端頭，下到距小法蘭外焊縫約10mm處，寬度為近半個(gè)圓周，斷掉部分已缺失。由于裂口下端距小法蘭外焊縫尚有10mm，判斷開(kāi)裂應(yīng)與小法蘭焊縫無(wú)關(guān)，所以重點(diǎn)對(duì)大法蘭焊縫進(jìn)行了檢查。為了方便觀察，沿大法蘭外焊縫下緣、小法蘭外焊縫上緣對(duì)失效件進(jìn)行了橫向切割，圖3為失效件大法蘭側(cè)剖面。檢查發(fā)現(xiàn)斷口內(nèi)圈大法蘭外焊縫除成型不良、咬邊、焊瘤外，有一處疑似已無(wú)焊縫金屬，于是對(duì)大法蘭這一部位及鄰近兩側(cè)部位進(jìn)行縱向切割并對(duì)剖面進(jìn)行拋光處理，得到的剖面見(jiàn)圖5、圖6、圖7。從圖5剖面看，確實(shí)只有內(nèi)焊縫，無(wú)外焊縫，此處的外焊縫與法蘭側(cè)母材應(yīng)存在未熔合或熔合不良缺陷，焊縫金屬應(yīng)該是被異徑管斷片帶下去了。臨近部位的外焊縫橫截面也很小，內(nèi)外焊縫存在根部未焊透缺陷，見(jiàn)圖6、圖7。另對(duì)完好部位剖面見(jiàn)圖8，可見(jiàn)內(nèi)外焊縫也均存在根部未焊透缺陷。

圖 2

圖 3

圖5

圖6

圖7

圖8

3 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分的匹配是不銹鋼件焊接需考慮的主要問(wèn)題。使用直讀式光譜儀對(duì)大法蘭、大法蘭內(nèi)外焊縫、異徑管進(jìn)行材質(zhì)分析，測(cè)試結(jié)果及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)和化學(xué)成分》中的規(guī)定值見(jiàn)表1，結(jié)果表明，大法蘭和異徑管的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，大法蘭焊縫的元素與母材元素較為接近，主要元素差別不大，微量元素變化在允許范圍內(nèi)，無(wú)明顯過(guò)量或超標(biāo)的元素，基本滿足相關(guān)的焊接標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1

4 壁厚測(cè)量

目測(cè)可見(jiàn)，大法蘭側(cè)異徑管斷口邊緣壁厚明顯比其他部位薄。經(jīng)測(cè)量，圖4中大法蘭側(cè)斷口邊緣左側(cè)圈內(nèi)壁厚為3.4mm，右側(cè)靠近斷口處壁厚為3.8mm，中間壁厚約為5.0mm?？拷》ㄌm側(cè)異徑管的壁厚，只有一側(cè)靠近斷口處的壁厚較薄，為4.8mm，其余為5.0mm。由此說(shuō)明開(kāi)裂應(yīng)是從大法蘭一側(cè)向小法蘭一側(cè)擴(kuò)展。

圖4

5 金相檢驗(yàn)

對(duì)圖6剖面大法蘭的母材、內(nèi)外焊縫及內(nèi)外焊縫與母材過(guò)渡區(qū)做金相檢測(cè)。大法蘭的母材組織為等軸奧氏體組織，見(jiàn)圖9。大法蘭的內(nèi)外焊縫組織、內(nèi)外焊縫與大法蘭母材過(guò)渡區(qū)（熔合區(qū)和熱影響區(qū)）組織見(jiàn)圖10、圖11，焊縫均為鐵素體加奧氏體枝狀晶組織，熱影響區(qū)組織與母材無(wú)區(qū)別，未見(jiàn)316L鍛鋼焊接常見(jiàn)的明顯晶粒粗化的熱影響區(qū)組織。圖12是圖5剖面大法蘭缺失外焊縫處的金相組織，為大法蘭的基體組織，無(wú)焊縫組織，也無(wú)熱影響區(qū)，進(jìn)一步證明此處為未熔合缺陷。

圖9

圖10

圖11

圖12

6 結(jié)果與討論

異徑管組件的法蘭結(jié)構(gòu)屬于平焊法蘭，這種結(jié)構(gòu)的法蘭受力狀況較差，所以在相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范中對(duì)其應(yīng)用有限制，如在《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》TSG D0001-2009中規(guī)定，平焊法蘭不得用于溫度頻繁變化和劇烈循環(huán)工況的管道。在平焊法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，對(duì)角焊縫的焊腳高度都有明確規(guī)定，規(guī)定焊腳高度實(shí)際是規(guī)定焊縫金屬與工件的結(jié)合面（承載面積）大小。使用中，角焊縫的承載能力要靠?jī)牲c(diǎn)來(lái)保證，一個(gè)就是結(jié)合面的大小，再就是熔化結(jié)合的程度。

外觀檢查和金相檢驗(yàn)說(shuō)明，失效件大法蘭的外焊縫結(jié)構(gòu)不完整，存在未熔合、未焊透、咬邊、成型不良等多種缺陷，內(nèi)外焊縫臨近的母材均無(wú)明顯的熱影響區(qū)。其中未熔合、未焊透、咬邊會(huì)顯著降低失效件的有效承載面積，而且還會(huì)引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，在工作應(yīng)力（介質(zhì)內(nèi)壓力、管線振動(dòng)對(duì)焊縫產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力等）下進(jìn)而萌生裂紋并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致破壞引發(fā)事故。另外，焊縫與母材過(guò)渡部位沒(méi)有明顯的焊接熱影響區(qū)，表明焊接過(guò)程中電弧對(duì)大法蘭側(cè)母材的熱作用較弱，介于大法蘭尺寸規(guī)格較大、散熱較快，這樣的操作規(guī)范容易導(dǎo)致母材與焊縫金屬不能很好地熔化結(jié)合在一起，從而降低了焊接接頭的穩(wěn)定性和牢固程度。顯然不適當(dāng)?shù)暮附庸に囘^(guò)程是導(dǎo)致失效的根本原因。