许建勋，栾霄，罗宁慧，纪承祖

（中国石油化工股份有限公司金陵分公司，江苏 南京 210033）

蒸汽系统是石化企业中重要的公用工程系统，一旦失效将会造成多个装置停工。高温高压的蒸汽通过管道运输，可以利用减温减压器降低蒸汽压力和温度，以达到不同装置的需求。某石化厂蒸汽系统在运行过程中，某处中压蒸汽管道进减温减压器前焊缝发生断裂。通过在焊缝断口处取样，对失效部件进行化学成分分析、宏观分析、微观分析、力学性能试验等，明确焊缝断裂根本原因。

1 管道基本情况

该中压蒸汽管道，工作介质为中压蒸汽，额定工作温度420℃，额定工作压力3.5MPa。管道材质为20G，外径× 壁厚=216×13mm（测量），执行标准GB/T 5310-2017；法兰材质为321（0Cr18Ni10Ti），执行标准 HG/T20592-2009（WN200B-100RJ）。焊材为309，执行标准不详。该中压蒸汽流程是将系统3.5MPa 蒸汽通过减温减压器降为1.0MPa低压蒸汽，供后路装置使用。失效件为中压蒸汽管道与法兰处焊缝，该焊缝沿管侧熔合线断裂，见图1。

图1 失效件取样

2 分析方法与仪器设备

本项目主要试验设备及检测方法见表1。

表1 分析方法及仪器设备

3 实验过程及结果

3.1 化学成分分析

分别依据《GB/T4336-2016 碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》《GB/T11170-2008 不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)》标准，采用GNR S5 Solaris plus 电火花直读光谱仪对20G 管、熔敷金属、321 法兰分别进行材料化学成分检测，测3 点取平均值，结果见表2。数据表明，20G 管材料的化学成分符合GB/T 5310-2017 标准中20G 材料的要求；321 法兰材料的化学成分符合JB 4728-2000 标准中0Cr18Ni10Ti 材料的要求；焊材的执行标准不详。

表2 化学成分分析（wt%）

3.2 拉伸试验

依据《GB/T228.1-2021 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》标准，沿20G 管横向加工试样，进行常温拉伸试验，试验数据见表3。

表3 常温拉伸试验结果

结果表明，20G 管常温的抗拉强度、屈服强度符合GB/T 5310-2017 标准中20G 管要求，断后伸长率小于标准要求。

3.3 冲击试验

依据《GBT229-2020 金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准，沿20G 管纵向加工试样，进行常温冲击试验，试验数据见表4。结果表明，20G 管室温冲击结果很低，低于GB/T 5310-2017 标准中20G 管要求，断口为脆性断口。

3.4 硬度测试

依据《GB/T4340.1-2009 金属材料维氏硬度试验第1 部分：试验方法》标准，在垂直管-法兰焊缝的截面上进行维氏硬度测试，试验数据见表5。结果表明，20G 管母材HV 硬度值在GB/T5310-2017 中20G 管的标准要求范围内；20G 管侧热影响区HV 硬度值高于GB/T5310-2017 中20G 管的标准要求上限。JB4728-2000 中321(0Cr18Ni10Ti)的标准要求硬度值为HB，无HV 的要求，根据经验公式HB=（HV+10.5）/1.05，可以计算出HV 的范围为135 ～186HV，因此，法兰母材及法兰侧热影响区硬度在标准要求范围内。焊缝区硬度高于法兰的标准要求范围。

表5 维氏硬度试验结果（HV10）

3.5 宏观分析

图2 为失效管道断口宏观形貌。从图中可以看出，裂纹在焊缝管侧熔合线处产生并沿熔合线扩展直至断裂，整个断口都处于熔合线上。图2-a 中约1/8 周长断口锈迹明显，此处法兰内壁也锈迹明显，其余部分断口及内壁没有明显锈迹，部分无锈迹的断口呈浅蓝色，因此，推断出此处为裂纹源，最先产生贯穿裂纹，发生泄漏，20G 管产生的铁锈附着在焊缝断口及法兰内壁。

图2 断口宏观形貌

3.6 微观分析

（1）显微组织。图3-a 为垂直焊缝的截面上显微组织。图3-a 为20G 管母材显微组织，铁素体+珠光体呈带状分布，铁素体晶界存在三次渗碳体，部分珠光体为层片状，部分已球化，综合考虑球化评3 级。图3-b为20G 管热影响区显微组织，铁素体+珠光体，部分断口处有约0.02mm 深的脱碳层。图3-c 为焊缝区两处缺陷，夹渣和层间未熔合，此处易萌生裂纹。图3-d 为焊缝区显微组织，奥氏体基体及其上枝晶状铁素体，显示组织腐蚀时，铁素体容易腐蚀成沟状，说明已被敏化。图3-e 为法兰热影响区显微组织，奥氏体+条带状铁素体，此处奥氏体晶粒较母材区长大。图3-f 为法兰母材区显微组织，奥氏体+条带状铁素体，铁素体同样容易腐蚀。

图3 显微组织

（2）扫描电镜。图4 是在扫描电镜下观察断口微观形貌，为河流花样，解理断裂的解理断口，为脆性断裂。

图4 断口微观形貌

采用能谱仪分析断口表面及腐蚀产物化学成分，结果见表6。20G 管断口腐蚀产物和20G 管断口保持失效件送检时状态，未经过有污染的方法处置、未清洗；焊缝断口经过线切割加工、除油、无水乙醇清洗。从分析结果可以看出，主要元素为基体元素Fe，其他元素依次O、Cr、Ni、Si、Mn、Cu、C 元素，Cr、Ni、Si、Mn、Cu、C 为材料中元素，Si、Cu局部偏析，腐蚀产物主要为氧化物；还含有Ca、Na、K、Al、Cl 等蒸汽系统中常见元素。

表6 能谱测试结果（wt%）

4 结语

管材和法兰的化学成分符合相应的标准要求，焊材的执行标准不详，不做判定。管道拉伸试验的抗拉强度、屈服强度符合要求，断后伸长率低于标准要求。管道室温冲击结果低于标准，断口为脆性断口。断裂处法兰母材及法兰侧热影响区硬度在标准要求范围内，焊缝区硬度高于法兰的标准要求范围。

该处管线焊接是存在夹渣、未熔合等缺陷，容易萌生裂纹；管线中局部的铜偏析，会在焊接时导致焊接部位产生裂纹；20G 管道侧热影响区贴近熔合线处，局部完全脱碳成铁素体，此处强度低于其他部分，在同样受力的情况下容易断裂。以上3 个因素共同作用，导致管道断裂失效。