導熱油管斷裂失效分析

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(深圳市特種設備安全檢驗研究院, 深圳 518029)

導熱油管斷裂失效分析

彭家政,陳煒,邱康勇,張杰

(深圳市特種設備安全檢驗研究院, 深圳 518029)

某公司一根導熱油管在使用過程中發生斷裂。采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試、斷口分析等方法，對導熱油管的斷裂原因進行了分析。結果表明：導熱油管經歷了高碳鐵液修補，使材料的脆性增大；在外力作用下導熱油管于薄壁處發生開裂，引起導熱油泄漏；在導熱油壓的作用下，導熱油管沿橫截面發生脆性斷裂。

導熱油管；斷裂；高碳鐵液修補；熱力作用

某公司一根導熱油管在使用過程中發生斷裂，導致導熱油泄漏，造成火災事故。該導熱油管投入使用時間約為10 a(年)，規格為φ108 mm×4.5 mm，標稱材料為20鋼。導熱油管設計壓力為1.1 MPa，設計溫度為320 ℃，實際使用壓力為0.3 MPa，實際使用溫度為220 ℃。導熱油管高空水平放置，距地面高度為3.7 m，用支吊架進行支撐。導熱油管斷裂部位為兩支吊架間直管段的中間部位，兩支吊架間距為3 m。導熱油管外壁覆蓋保溫層，保溫材料為巖棉，外層用鋁皮纏繞。為了查明該導熱油管的斷裂失效原因，筆者對其進行了一系列理化檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1 導熱油管宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the heat-transfer oil pipe

圖2 導熱油管斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface of the heat-transfer oil pipe

斷裂導熱油管宏觀形貌如圖1所示，外表面有燒熏痕跡。圖2為導熱油管斷口形貌，其中：A區為縱向斷口，斷口兩側錯位，形成一個凹坑，斷口最小厚度只有1.2 mm，開裂長度為47 mm；B區為橫向斷口，貫穿整個橫截面，斷口較為平齊，壁厚嚴重不均；C區也為橫向斷口，可見管內有一堆積物，已與管壁熔為一體，高度約為28 mm，寬度約為850 mm。導熱油管另一端壁厚為4.0～4.5 mm，壁厚正常。

1.2 化學成分分析

采用臺式光譜儀對導熱油管內壁、外壁及斷口堆積物進行化學成分分析，分析結果見表1。結果表明：導熱油管外壁的碳元素含量稍低于GB/T 3087-2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》對20鋼的技術要求，而導熱油管內壁的碳元素含量嚴重超標，堆積物中的碳含量和磷含量未檢出具體數值，其他元素含量均符合GB/T 3087-2008的技術要求。

表1 導熱油管化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the heat-transfer oil pipe (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

分別在導熱油管斷口部位(試樣1)、遠離斷口位置(試樣2)及堆積物上(試樣3)截取縱截面試樣，取樣部位見圖1，經鑲嵌、磨拋后，用4%(體積分數)硝酸酒精溶液進行侵蝕，金相檢驗結果如圖3～5所示。

圖4 試樣2顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of specimen 2: a) at low magnification; b) outer wall; c) inner wall

圖5 試樣3顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of specimen 3: a) at low magnification; b) at high magnification

由圖3可知，試樣1的內壁和外壁出現了不同的顯微組織。外壁顯微組織為鐵素體+珠光體，且存在魏氏組織[1]，內壁出現針狀馬氏體和網狀碳化物，這和內壁化學成分中碳含量偏高相吻合。鐵素體和珠光體具有較好的韌性和塑性，而針狀馬氏體和網狀碳化物會使材料變脆[2]。

由圖4可知，試樣2的顯微組織分布與試樣1的基本相似，表明整個導熱油管沿長度方向的顯微組織分為內外兩部分。

由圖5可知，試樣3的顯微組織為鐵素體+珠光體+碳化物，組織分布不均勻，為典型的液態凝固組織[3]。

1.4 硬度測試

對試樣1和試樣2的內外壁進行維氏硬度測試，載荷為49 N，測試結果見表2。結果表明：試樣1和試樣2的外壁硬度均比內壁硬度要低，且差異較大，與金相檢驗結果相吻合。

1.5 斷口分析

將圖2中B區橫向斷口和A區縱向斷口分別切取下來，經清洗、干燥后，置于SU-1500型電子掃描顯微鏡內進行觀察。

表2 試樣1和試樣2維氏硬度測試結果Tab.2 Testing results of Vickers hardness ofspecimen 1 and specimen 2 HV5

圖6為B區橫向斷口形貌，其中：圖6a)中可見斷口明顯分層；I區為導熱油管內壁，可見大量扇形解理面及密排針狀馬氏體的層狀解理形貌，見圖6b)；II區為導熱油管外壁，可見解理面及韌性撕裂棱，呈準解理斷裂特征[4]，見圖6c)。圖7為A區縱向斷口形貌，為一次性解理斷裂，與B區橫向斷口形貌相似，但中間無明顯分層。

2 分析與討論

該導熱油管內外壁碳元素含量差異較大，顯微組織明顯分層，表明該導熱油管內外壁由兩種不同工藝加工而成。導熱油管橫向斷口平齊，為脆性解理斷口，斷口厚薄不均，差異較大，最薄處厚度僅為1.2 mm?？紤]到其管內介質為導熱油，工作壓力為0.3 MPa，流速較低，管道磨損較小，且該導熱油管斷裂位置位于管段中間部位，應為均勻磨損，不應造成直管中間部位嚴重減薄現象。查閱近年來導熱油檢測報告，未發現導熱油嚴重變質情況，且導熱油管斷口附近未發現明顯腐蝕減薄現象，導熱油管壁厚嚴重不均應在安裝使用前就已存在。導熱油管內堆積物和管壁熔為一體，高度約為28 mm，寬度約為850 mm。結合化學成分及以上分析可知，該堆積物應該在管道安裝使用前就已存在于管內，非安裝使用中的產生物。

結合化學成分分析、金相檢驗、壁厚測量情況、堆積物分布情況及市場導熱油管的加工工藝，可以推斷出該導熱油管內壁經過高碳鐵液修補增厚，管內堆積物為修補時殘留在管內的高碳鐵液焊瘤。

在進行高碳鐵液修補時，導熱油管易產生魏氏組織(過熱組織)及脫碳現象，使20無縫鋼管的性能降低。經高碳鐵液修補后，20無縫鋼管的外層組織為鐵素體+珠光體，且存在魏氏組織。從導熱油管內壁的金相檢驗結果可知，高碳修補層雖能增加壁厚、提高耐磨性，但修補產生了網狀碳化物及針狀馬氏體，使材料變脆。同時由于導熱油管長期在220 ℃下運行，材料經歷了長期低溫回火，導熱油管脆性不斷增加[5]。

3 結論及建議

(1) 導熱油管內外壁兩側化學成分碳含量差異較大，內壁用高碳鐵液進行過修補。導熱油管外壁顯微組織為鐵素體+珠光體，存在魏氏組織，內壁修補層顯微組織為針狀馬氏體和網狀碳化物。

(2) 導熱油管縱向斷口和橫向斷口均為解理脆性斷裂，橫向斷口外側出現明顯的撕裂棱。

(3) 該導熱油管壁厚不均勻，修補層脆性較大。在長期低溫回火的作用下，導熱油管脆性增大。在外力作用下導熱油管于薄壁處發生一次性脆性開裂，且在導熱油壓的作用下引起了橫向解理斷裂。

(4) 建議導熱油管在投入使用前進行抽查檢驗，包括外觀、壁厚、化學成分、顯微組織、硬度等，確保導熱油管的質量符合使用要求。

[1] 陳利濤.軋鋼加熱爐爐底管開裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2012,48(5):342-344.

[2] 張存信,陳玉如.金屬材料斷裂的分析方法[J].理化檢驗-物理分冊,2008,44(11):622-625.

[3] 李炯輝,林德成.金屬材料金相圖譜[M].北京:機械工業出版社,2006.

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FractureFailureAnalysisofaHeat-TransferOilPipe

PENGJiazheng,CHENWei,QIUKangyong,ZHANGJie

(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test, Shenzhen 518029, China)

A heat-transfer oil pipe of a company fractured during use. The methods of macroscopic observation, chemical composition analysis, metallographic inspection, hardness testing and fracture analysis were used to analyze fracture reasons of the heat-transfer oil pipe. The results show that: the heat-transfer oil pipe was repaired by liquid iron containing high carbon, and it increased the brittleness of the material; under the exogenic action, the heat transfer pipe cracked at the position of the thin wall, which led to the heat-transfer oil leak; under the action of the heat-transfer oil pressure, the heat-transfer oil pipe cracked along the cross section.

heat-transfer oil pipe; fracture; repair by liquid iron containing high carbon; thermodynamic action

10.11973/lhjy-wl201711017

TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0837-04

2016-12-16

彭家政(1965-),男,高級工程師,主要從事鍋爐、壓力容器及壓力管道檢驗工作，1253022143@qq.com