316不銹鋼孔板流量計導壓管斷裂的原因分析與檢查流程

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　?。壅菽郴S工藝管線上的316不銹鋼材質的孔板流量計導壓管斷裂，導致介質泄漏發(fā)生火災。為查明其失效原因，對斷裂的儀表管進行成分、硬度、金相、斷口形貌和腐蝕產物分析，確認儀表管發(fā)生斷裂的原因是在安裝應力、震動和環(huán)境中Cl元素的共同作用下，先發(fā)生了應力腐蝕形成裂紋源，裂紋達到門檻值后又以疲勞形式擴展，zui終導致開裂。

　　0前言

　　2015年12月某化工廠發(fā)生火災，經查起火原因為安裝在40-P-2242002-B1X-P1工藝管線上的22FT42427C孔板流量計導壓管斷裂，導致介質泄漏所致。該導壓管為無縫卡套管［1］，自2015年3月服役至2015年12月發(fā)生斷裂失效?？ㄌ坠軋?zhí)行標準為ASTMA269，規(guī)格為12．0mm1．0mm，材質為316不銹鋼，操作溫度為68℃，操作壓力為2．63MPa，導壓管外有伴熱管，并有外保溫。為查明導壓管失效原因，防止類似事件的再次發(fā)生，對失效接管進行分析。

　　1宏觀檢查

　　開裂導壓管中間段垂直向上，兩端處于水平狀態(tài)，導壓管安裝及斷裂位置如圖1。斷裂位置位于導壓管下部的水平段，斷口在卡套接頭的根部。測量導壓管尺寸，其外徑為12．0mm，壁厚為1．5mm，壁厚與廠家所提供的1．0mm不一致。

　　孔板流量計導壓管斷裂處為接頭部分安裝密封管箍根部，管箍安裝部分管段有明顯的環(huán)形壓痕。除此外再無其他塑性變形情況。斷口上下部分均有一小塊黑色區(qū)域，該區(qū)域為腐蝕區(qū)域，黑色覆蓋物為腐蝕產物。上部黑色區(qū)域位于一個凹下去的缺口內，該區(qū)域與卡套根部的壓痕平齊，環(huán)形斷口的下端黑色區(qū)域也與卡套根部壓痕平齊。從zui下端黑色區(qū)域兩側向上，逐漸升高，然后突然陡峭下降，形成上部的凹坑。除凹坑兩側突出部分，斷面整體比較平整，可初步判斷，凹坑周圍為zui后的斷裂區(qū)，而兩個黑色區(qū)域為較先開裂區(qū)域，長時間受介質和空氣腐蝕而形成，即為裂紋源。

　　2微觀分析

　　2．1導壓管化學成分

　　采用GB/T11170－2008《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》分析導壓管化學成分，結果見表1。

　　經分析，管材化學成分符合ASTMA213中316不銹鋼要求。

　　2．2斷口形貌與成分

　　在孔板流量計導壓管開裂位置附近取金相樣品進行分析，金相組織見圖2。經分析導壓管基體組織為奧氏體，清晰可見大量的孿晶界存在，晶粒較均勻，金相組織檢驗證明該導壓管經過固溶處理。

　　將斷口形貌劃分11個區(qū)域，見圖3，對各個區(qū)域利用掃描電鏡觀察，尋找斷裂過程的特征。經觀察，1區(qū)、2區(qū)、4區(qū)和5區(qū)可見河流花樣和扇形花樣等典型的解理裂紋形貌，見圖4。在3區(qū)、6區(qū)、7區(qū)、8區(qū)和10區(qū)均有大量的疲勞輝紋，同時還伴有解理臺階疲勞輝紋與臺階想垂直，屬于脆性疲勞裂紋，見圖5。在9區(qū)和11區(qū)的小范圍內可觀察到韌窩形貌，見圖6。

　　利用掃描電鏡對斷口表面覆蓋的腐蝕產物的1區(qū)進行能譜分析，見圖7。

　　經分析發(fā)現(xiàn)斷口表面的腐蝕產物區(qū)域有大量的白亮色的顆粒，經分析該白色顆粒中除了含有工藝介質元素外，由于受到空氣的氧化作用還含有大量的氧;除此之外，Cl元素含量高達1．87%，S元素含量1．90%。

　　2．3保溫層成分

　　對車間提供的使用過保溫層材料與未使用過保溫層材料進行能譜分析。將所取樣品進行編號，其中1號為新保溫層的外側材料，2號為新保溫層的內側材料，3號為舊保溫層外側材料，4號為舊保溫層內側材料，檢測結果見表2。

　　從檢測結果可看出，新保溫層內外層材料皆不含Cl元素，而舊保溫層內外層材料皆檢出了Cl元素，說明保溫層材料本身不含Cl元素，舊保溫層中的Cl元素是在使用過程中進入其中的。

　　3分析與討論

　　通過上述分析可知，導壓管金相為固溶狀態(tài)奧氏體組織，未見異常。化學成分分析結果符合ASTMA213中316不銹鋼要求。斷裂導壓管斷口及斷裂部分除安裝形成的環(huán)形壓痕外無明顯的塑性變形，屬于脆性斷裂。斷口橫截面靠近外壁存在2處黑色區(qū)域，是早期開裂后管段材料受到來自空氣中氧元素作用氧化形成，而這2個區(qū)域也就是開裂的裂紋源區(qū)域;并且2處黑色區(qū)域均在導壓管邊緣。該區(qū)域在安裝后有2個特點:一是接頭部位受到與接管鏈接的法蘭作用，安裝牢固，而導壓管在密封管箍根部形成結構不連續(xù)部位;二是由于安裝時密封管箍收緊力作用，在管箍內部管段存在壓應力，管箍邊緣管段存在較大的拉應力。由斷口掃描電鏡分析可知，1區(qū)、4區(qū)兩個黑色腐蝕范圍及2區(qū)、5區(qū)，皆為解理形貌證明該區(qū)發(fā)生了應力腐蝕開裂。斷口黑色區(qū)域腐蝕產物中檢出氯(Cl)及硫(S)元素，而車間提供的新保溫層材料中未檢出Cl元素，證明Cl元素是在使用過程中進入材料中。分析工廠建設地域臨近海邊，可考慮檢出的Cl來自于海水。在3區(qū)、6區(qū)、7區(qū)、8區(qū)和10區(qū)均有大量的疲勞輝紋，證明這些區(qū)域經歷了疲勞過程。疲勞斷裂需要一定的交變載荷的作用，導壓管在工作過程中，由于內部介質壓力及壓力傳導方向的變化造成了孔板流量計導壓管的震動，也就為疲勞斷裂提供了一個交變載荷。疲勞擴展過程幾乎占據了整個斷口橫截面，證明疲勞斷裂對整個儀表接管的斷裂提供了zui大的貢獻。9區(qū)和11區(qū)為韌窩形貌，證明該處為受拉應力作用的zui后的瞬斷區(qū)，該區(qū)域很小，是由于導壓管直徑只有12mm，能夠承受相當大的介質內壓，不易被內壓破壞的原因。斷口中存在的Cl元素是造成導壓管發(fā)生應力腐蝕開裂的原因，而S元素在應力腐蝕和疲勞斷裂過程均不起決定性作用，應為介質中帶來，不再做其他分析。應力腐蝕過程中在應力和介質的共同作用下，使材料表面覆蓋層破裂，局部開始化學侵蝕，形成微裂紋，此處產生應力集中，成為裂紋源。因為腐蝕作用使疲勞過程σ-N曲線向低值方向移動，使疲勞源容易形成，即腐蝕疲勞的孕育期比較短。zui終致使導壓管在安裝投用后僅9個月就發(fā)生了開裂。

　　綜上所述，孔板流量計導壓管斷裂過程，首先是由雨水或海水中蒸發(fā)出來的氣體中含有的Cl進入保溫層，并在導壓管下部接頭處匯集，形成了腐蝕環(huán)境，在密封環(huán)根部的安裝拉應力和導壓管震動時產生的拉應力共同作用下，造成了導壓管的應力腐蝕開裂［4，7］，此時應力腐蝕開裂占據主導地位。應力腐蝕開裂形成了小的缺口，也就是裂紋源。然后由于管道的振動，為裂紋的擴展提供了交變載荷，當應力腐蝕開裂裂紋達到一定值時，便開始了疲勞裂紋的擴展，此時疲勞開裂便占據了主導地位，故應力腐蝕裂紋只在導壓管表面，而斷口內部為疲勞裂紋。也就是說疲勞裂紋擴展是在當應力腐蝕開裂形成的裂紋達到門檻值后才能進行，若無應力腐蝕，則疲勞失效不足以發(fā)生或者延遲發(fā)生。故應力腐蝕是造成本次導壓管早期失效的根本原因。

　　4結論及建議

　　(1)孔板流量計導壓管失效是由雨水和來自海水的蒸汽進入保溫層帶來了Cl元素，并在接頭處聚集發(fā)生了應力腐蝕開裂，在管道外壁形成初始裂紋。導壓管振動使裂紋以疲勞方式擴展，zui終斷裂。

　　(2)導壓管特別是其接頭處必須做好防雨，避免形成腐蝕環(huán)境。

　　儀器儀表是工業(yè)化進程的基石，只有選用工業(yè)現(xiàn)場選用合適的儀表，才能夠事半功倍，自動化流程才能夠更加自動化。