中压供汽管道焊缝开裂产生原因分析

中压供汽管道焊缝开裂产生 原因分析

何能跃

中国能源建设集团湖南火电建设有限公司

摘要：中压供汽管道已运行半年突然从焊缝处开裂漏气，从施工、环境、材料、应力及焊口检测等因素进行了综合分析, 认为焊缝泄漏的原因不是施工造成的，而是由于运行人员操作不当，致使强碱溶液混入到中压供汽管道中；同时，由于焊接残余应力和管道承受拉力的永久性存在，在一定温度和压力下，导致强碱溶液对管道薄弱环节焊缝产生快速应力腐蚀，最终破裂发生泄漏。

关键词：供汽管道；焊缝；应力腐蚀；开裂

1、焊缝开裂事情经过

XX生物质发电项目，2018年11月20日机组已并网发电，中低压供气管道系统（设计压力为1.66MPa、设计温度292℃、管道材质为20#钢）已运行半年多。2019年5月14日，中压供汽管道突然存在对外冒汽现象，立即对中压供汽管道沿线进行检查，发现中压供汽管道存在有6处对外冒汽的故障点，随后发现故障点逐渐增多，达到30多处。如下图所示：

5月17日，对管道开裂焊缝位置进行了全面处理后投入运行，但没过几天，其供汽管道在上次漏汽位置（已重新焊接处理过的地方）又有漏气现象，并且发现中压供汽管道以及中压联箱存在几处对外冒汽的故障点，随后发现故障点逐渐增多（包括上次焊缝漏汽的地方、新增的焊缝位置、中压联箱焊缝及本体、中压减温器厂家焊口、阀门本体等）。如下图所示：

2、焊缝开裂诸因素分析

1）焊口检测分析

（1）随机抽样已有焊缝裂纹的23#焊口（透视合格焊口），没有焊缝裂纹的34#、35#焊口进行焊口硬度检测，测量结果如下表：

从上表可以看出，焊口和母材的硬度值（20#钢）都在规范许可范围内。

（2）对23#焊口采用超声波进行检测，发现焊口有裂纹缺陷显示；对没有焊缝裂纹的34#、35#焊口采用超声波进行复验，对其中2处深度在4~6mm的反射回波进行了挖补，挖补后采用渗透检测，未发现裂纹缺陷显示。

（3）对76#焊口及母材割取了一段试样管（Ф325X8X450）,根据样品断面处发现裂纹从熔合线处由内向外扩散至焊缝表面中心处（见下图）；并将试样管送权威机构做进一步的检查分析。

管道内壁

a、母材化学成分分析

母材的化学成分分析试验标准为GB/T4336-2016,验收标准为GB/T699-2015,分析结果如下表，结果合格。

b、焊材化学成分分析

焊材的化学成分分析试验标准为GB/T4336-2016,验收标准为GB/T5117-2012,分析结果如下表，结果合格。

c、母材拉伸试验分析

母材的拉伸试验标准为GB/T228.1-2010,验收标准为GB/T3087-2008,分析结果如下表，结果合格。

d、焊材的拉伸试验分析

焊材的拉伸试验标准为GB/T228.1-2010,验收标准为GB/T47016-2011,分析结果如下表，结果合格。

e、母材弯曲试验分析

母材的弯曲试验标准为GB/T232-2010,验收标准为GB/T3087-2008,分析结果如下表，结果合格。

f、焊材弯曲试验分析

焊材的弯曲试验标准为GB/T2653-2008,验收标准为NB/T47016-2011,分析结果如下表，结果合格。

g、微观金相分析，结果为合格。

2）施工方面原因分析

a、对此部分焊口施焊焊工、焊材、焊接工艺进行了调查，未发现有不符合要求的焊工及工艺操作上的问题。

b、对施工过程中根据规程规范经RT检测合格的焊口焊缝裂纹进行切除取样，焊缝裂纹处未发现缺陷。

c、由于中压蒸汽管道全部采用20#钢，本身焊接性能良好，不易产生裂缝，且中压蒸汽管道已经连续运行半年多，在投运之前进行了1.5倍水压试验检验合格，因此认为由于施工原因导致大面积发生焊缝裂纹的可能性极低。

3)运行方面原因分析

通过观察现场泄漏点的地方，呈现白色粉末状（见图一），并且泄漏的蒸汽有一种难闻的气味，提取地面上和泄露点周围的白色粉末状进行PH值测试，测试结果PH值达到12点多（见图二），再对中压供汽疏水取样化验，其PH值达到10.69（见图三）；还对割下的管道观察，其管道内壁存在一种白色粉末物（见图四）；根据现场观察情况、取样分析及业主生产人员反映，由于运行人员操作不当，致使强碱溶液混入到中压供汽管道中，这种白色粉末物是NaOH，是一种强碱物质，并且应力腐蚀与温度成正比，综上所述管道进入强碱，致使管道焊缝遭到强碱溶液的应力腐蚀。

图一 图二

图三 图四

3、应力腐蚀分析

金属材料在拉伸应力和腐蚀介质的共同作用下，发生的腐蚀现象称为应力腐蚀。应力腐蚀开裂必须满足三个条件：特定材料与特定介质的匹配 ,一定的环境条件以及拉伸应力。

应力腐蚀与单纯的应力破坏不一样，在极低的应力作用下也会发生破坏；与单纯由于腐蚀引起破坏也不同，腐蚀性很弱的介质，也能引起应力腐蚀破坏。常用材料易产生应力腐蚀的环境，如下表：

首先从特定材料与特定介质的匹配角度来分析，碱性环境正是中压供汽管道20#钢（低碳钢）发生碱脆的敏感介质,换言之 ,低碳钢在碱性环境中容易发生应力腐蚀开裂。

其次从环境条件方面来分析，碳钢与碱液浓度和温度的关系 经过大量的研究和实验，碳钢产生碱脆与 NaOH 溶液浓度和温度的关系，如下图：

a、从图中可以看出碳钢在低温稀碱液中具有良好的耐蚀性，然而一旦 NaOH 水溶液浓度高于5%时，碳钢均有发生碱脆的可能性，随着碱浓度的增加，碳钢发生碱脆的倾向性增大。从现场焊缝泄露点周围的白色粉末状进行PH值测试，测试结果PH值达到12点多，相当NaOH溶液浓度高 ,这就为发生应力腐蚀提供了条件。

b、从图中可以看出，碱液温度的高低是产生碱脆与否的一个关键因素；其中压供汽管道运行温度大概在 212℃左右，在此温度下，为应力腐蚀开裂提供了温度条件。

c、发生应力腐蚀开裂的另一个关键因素是应力的存在，管道在安装过程中，焊接残

余应力和管道承受拉力的永久性存在。

4、结论

后来通知对供汽蒸汽品质PH值的控制，再也没有出现过焊缝泄漏。所以中压供汽管道焊缝泄漏的原因不是施工造成的，是由于运行人员操作不当，致使强碱溶液混入到中压供汽管道中，这就为应力腐蚀创造了条件，同时，由于焊接残余应力和管道承受拉力的永久性存在，在一定温度和压力下，导致强碱溶液对管道薄弱环节焊缝产生快速应力腐蚀，最终破裂发生泄漏。

5. 建议

（1）加强运行人员及生产人员操作管理，防止碱液串入中压供汽管道中。

（2）对中压供汽蒸汽品质需严格按照运行规程要求控制。

（3）管道焊接应严格按照焊接工艺要求执行。

参考文献：

[1]李晓华 《应力腐蚀的机理及预防措施》

[2]杨灿生《氢氧化钠溶液储槽的开裂与对策》

[3]徐文清《锅炉压力容器应力腐蚀破裂与控制》.

[4]徐坚等《腐蚀金属学及耐腐蚀金属材料》

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