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金屬

某發電廠7號機2號汽泵出口管道壓力表管失效分析

  • 来源: 大唐華北電力試驗研究院
  • 作者: 张新
  • 发布时间: 2018-03-07

一、概述

某發電廠(以下簡稱:張家口發電廠)7號機2號汽泵出口管道壓力表管泄漏,泄漏位置距離汽泵出口管道與壓力表管焊口約15mm,壓力表管材質爲1Cr18Ni9Ti,實際運行出口溫度167℃,汽泵出口額定壓力壓力20MPa。

爲分析其泄漏的原因,對送檢的汽泵出口管道壓力表管(見圖1-1)進行分析。

图1-1  送检的压力表管宏观形貌

二、檢驗結果

 1、宏觀形貌

对送检管进行宏观形貌观察,可见泄漏发生在汽泵出口管道压力表管上,泄漏点为一段长约15mm的裂纹,裂纹一端距离汽泵出口管道与压力表管焊口约15mm,沿与径向约45°方向扩展。焊口与一弯管相连,弯管处颜色呈黑蓝色,而远端直管颜色为正常的金屬色,如图2-1所示。

此外,焊缝附近管子的外表面存在较多熔化金屬的凝结物,(见图2-2),局部表面有金屬烧蚀的痕迹(见图2-3)。从裂纹的开口尺寸以及宏观走向上观察,裂纹起始于熔化金屬凝结物,并进一步沿管子径向45°的方向向两端扩展,其中一端与金屬烧蚀部位相连接,如图2-4所示。

 

图2-1  压力表管泄漏部位宏观形貌

 

图2-4  裂纹宏观形貌

2、金相組織觀察

 分别在泄漏处以及远端直管处横向取样,取样位置如图1-1所示,经打磨、抛光后,利用光学显微镜观察,显微镜型号Leica DMI5000M,编号1611007030704。所观察的抛光态微观形貌如图2-5~2-10所示。

图2-5~2-8为泄漏管微观形貌,泄漏位于管子外表面熔融金屬凝结物上,而且除泄漏口外,周围还存在较多小裂纹(图2-5、2-6)。同时,管子外表面烧蚀已经侵入金屬基体有一定深度,约0.26mm,如图2-7所示。管子内表面存在小凹坑(深约0.075mm),凹坑顶端有微裂纹(长约0.052mm),有向管子基体扩展的趋势,见图2-8。

正常對比管除內表面有一深0.06mm的凹坑外,其他部位均正常,無裂紋,見圖2-9~2-10。

 

图2-6  外表面小裂纹-泄漏周围熔融金屬凝结物部位(左侧200倍,右侧50倍)

 

图2-7  外表面金屬烧蚀部位

 

图2-8  内表面小裂纹

 

    图2-9  正常对比管(左侧为外表面,右侧为内表面)

 

图2-10 正常对比管中部

上述抛光試樣經王水浸蝕後觀察,金相組織分別如圖2-11~2-16所示。

由图可见,泄漏管外表面的熔融金屬凝结物的组织为奥氏体枝晶,应为焊接过程中电弧灼伤所致,焊接时起弧不正确或者焊接过程中操作失误使电弧偏离正常位置,导致局部母材表面熔化,凝固后发生金相组织转变,生成奥氏体枝晶。泄漏正是始发于此电弧灼伤位置,而且除泄漏点外,在其周围还存在较多的小裂纹,从电弧灼伤处形成,并进一步向基体母材呈穿晶扩展,具体金相组织见图2-11。

在外表面金屬烧蚀部位的金相组织也发生了变化(见图2-12),亦为电弧灼伤所形成的奥氏体枝晶。

除上述部位存在奧氏體枝晶外,泄漏管的中部以及內表面等其他部位金相組織均爲奧氏體+碳化物,晶粒度5級,如圖2-13、圖2-14所示。

正常對比管的內外表面無裂紋,金相組織爲奧氏體,晶粒度8級,見圖2-15、圖2-16。

 

图2-11 外表面小裂纹-泄漏周围熔融金屬凝结物部位(左侧100倍,右侧200倍)

 

图2-12 外表面金屬烧蚀部位金相组织(左侧100倍,右侧200倍)

 

图2-13 泄漏管中部的金相组织

 

图2-14 泄漏管内表面金相组织

 

图2-15 正常对比管金相组织(左侧为外表面,右侧为内表面)

 

图2-16 正常对比管中部金相组织

3、能譜分析

分別對裂紋周圍以及泄漏管顔色呈黑藍色部位進行能譜分析,獲得的能譜譜圖如圖2-17~2-19所示。能譜分析顯示,裂紋周圍基本爲基體的主要成分,見圖2-17;外表面顔色呈黑藍色部位存在較多雜質元素,如Na、Al、Si、S、K、Ca、P、Mg,見圖2-18、圖2-19。能譜觀察發現的雜質元素僅存在于局部黑藍色彎管外表面,而泄漏的部分很幹淨,爲基體成分,因此,認爲雜質元素與泄漏無關,可能是管子外表面局部汙染所致。

 

图2-17 裂纹周围能谱谱图

 

图2-18 泄漏管外表面颜色黑蓝色区域能谱谱图1

 

图2-19 泄漏管外表面颜色黑蓝色区域能谱谱图2

四、綜合分析

从泄漏位置看,管子泄漏部位距离汽泵出口管道与压力表管焊口较近,约15mm,而且,泄漏附近的管子外表面存在金屬烧熔痕迹以及较多的熔融金屬凝结物,观察此处金相组织均为奥氏体枝晶,同时,送检管段的焊口周围在一定范围内均有此现象,因此可以判断,上述现象应为管道与压力表管焊接过程中,局部母材表面被电弧灼伤所致。电弧灼伤部位金相组织发生变化,生成粗大的奥氏体枝晶,极易诱发裂纹。从泄漏部位的开口尺寸和走向看,泄漏即起始于电弧灼伤处,同时在泄漏旁边的外表面灼伤处,存在较多裂纹,裂纹进一步向基体母材呈穿晶扩展,这是导致管子泄漏的最主要原因。

泄漏所处位置在与焊口相连的弯管上,此弯管外表面颜色与其他直管段明显不同,弯管处颜色呈黑蓝色,而直管外表面是正常的金屬色。同时,与正常颜色直管段相比较,黑蓝色弯管处的奥氏体组织较粗大,晶粒度5级,正常颜色直管奥氏体晶粒度8级。一般情况下,对于电厂常用奥氏体不锈钢管来说,最终交货状态的热处理均应是固溶处理。奥氏体不锈钢的固溶处理是将奥氏体不锈钢加热到较高温度,约1100℃,使碳化物相全部或者大部分溶解,碳固溶于奥氏体中,然后快速冷却至室温,得到过饱和固溶体的热处理工艺。通过固溶热处理,可以获得适宜的晶粒度和较好的抗腐蚀性能。从金相组织方面分析,颜色异常的弯管的奥氏体组织粗大,晶界及晶内可见碳化物,因此,有理由认为,此处的弯管在加工时未采取恰当的弯制方法,推测是采用火焰直接加热至一定温度后弯制形成,而且,在弯管后,并没有经过固溶热处理,以至于此处外表面颜色异常,且组织粗大,同时增加了弯管的残余应力,这对裂纹的扩展将起到较大的促进作用。

此外,泄漏管內表面不均勻的存在一些小凹坑,在個別凹坑頂端發現微裂紋,但尺寸較小,而且,類似的凹坑在亦存在于對比管內表面,因此,認爲壓力表管泄漏與內表面的凹坑缺陷無關,但凹坑的存在,尤其當其存在裂紋後,對于壓力較高的壓力表管(汽泵出口壓力20MPa)來說,更容易向基體深入擴展,有很大的安全隱患。

五、結論

1、 7号机2号汽泵出口管道压力表管外表面被电弧灼伤,进而在运行中产生裂纹、逐步扩展至基体母材,最终导致管子泄漏。

2、泄漏部位的彎管未采用合理的彎制方法,同時,彎管後未經過固溶處理,導致此處組織粗大,殘余應力較大,對裂紋的擴展起到促進作用。


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