蒸汽过热器管断裂失效分析
王印培陈进
(华东理工大学化机所上海200237)
摘要：某奥氏体不锈钢制蒸汽过热器管在加碱煮炉过程中发生断裂。

采用力学性能测定宏微观检验及能谱分析，对该断裂管进行了分析研究。

结果表明，蒸汽过热管断裂失效是由碱脆造成的。

主题词：碱脆；不锈钢；失效分析
1 概述
某炼油厂新建制氢装置的转化炉蒸汽过热器管在中压汽包加碱煮炉过程中多处发生断裂。

蒸汽过热器管外径Φ89mm，壁厚6.5mm，材料为1Cr19Ni9奥氏体不锈钢。

经现场检查，断裂均发生于与集汽管相连的蒸汽过热器的弯管上，裂纹大多位于焊接热影响区，为环向裂纹，在裂口周围管外有结碱。

典型的裂纹宏观形貌见图1和图2。

图1 蒸汽过热器直管段裂纹宏观形貌图2 蒸汽过热器弯头裂纹宏观形貌
蒸汽过热器与中压汽包相连通，管外被转化炉炉气加热，管内为过热蒸汽。

转化炉投入运行前先烘炉并对中压汽包进行加碱煮炉，煮炉碱液按每立方米各加入NaOH，Na2PO44kg的要求配制，并保证65%～75%
液位。

经采样分析炉水碱度达到不小于45mgöL要求。

烘炉与煮炉先后结束后(10d)，转化炉对流段入口温度保持在525℃，中压汽包仍保压运行。

运行一天后发现蒸汽过热器泄漏蒸汽，漏点不断扩大，迫使转化炉降温停炉。

根据现场操作记录，在煮炉过程中，蒸汽过热器的蒸汽温度在200℃以上的时间达78h，其中300℃以上的达60h。

2 化学成分分析与铁素体含量测定
对蒸汽过热器直管、弯头和焊缝金属的化学成分进行分析，结果见表1。

由表可见，蒸汽过热器直管与弯头的化学成分符合GB13296-1991对1Cr19Ni9钢的要求。

采用铁素体含量测定仪对蒸汽过热器中已开裂的直管、弯头及其焊缝处的铁素体含量进行测定，结果直管的铁素体含量平均为1.5%(共8点)，最高为1.84%;弯头的铁素体含量平均为0.35%(共8点)，最高为0.38%;焊缝处铁素体含量平均为319%，最高为6.47%。

可见，蒸汽过热器管铁素体含量正常。

3 蒸汽过热器管内壁渗透液检验
为检验过热器管焊缝以外其它部位是否有裂纹，将过热器直管(部分)及弯头沿对称轴切开，进行内壁渗透液检验。

结果显示，除了已穿透的裂纹及部分分叉外，未发现其它裂纹。

4 力学性能测试
力学性能试样均为两种状态，即过热器管的使用态和重新固溶热处理状态。

重新固溶热处理工艺为1050℃水冷。

4.1 拉伸性能
按GB6397-1986标准，在过热器直管段取样，试样为矩形截面全厚度试样。

拉伸试验按GB228-1987标准进行。

试验温度为室温。

试样数量为使用态和重新固溶态各两根。

试验结果见表2。

由表可见，直管材料使用态和重新固溶态的拉伸性能符合GB13296-1991《锅炉、热交换器用无缝钢管》标准对1Cr19Ni9钢的要求，但直管经重新固溶热处理后，屈服强度和抗拉强度均有所下降，延伸率有所提高。

4.2 弯曲性能
分别在使用态和经重新固溶热处理的过热器直管和弯头处各取两根试样。

弯头的弯曲试样为半圆环，宽度为10mm。

弯曲试样见图3。

(a)直管的弯曲试样 (b)弯头的弯曲试样
图3 蒸汽过热器管弯曲试样
弯曲试验按GB232-1988标准进行。

两种状态的直管和弯头的弯曲试验均按一正一反方向进行，弯心直径为零。

弯曲试验结果表明，除使用态的弯头弯曲试样在反弯(弯曲角度为270°)时开裂外，其余试样在弯曲试验过程中均未开裂，结果见图4。

(a)直管的弯曲结果 (b)弯头的弯曲结果
图4 过热器管试样的弯曲试验结果
4.3 硬度
对重新固溶热处理前后的蒸汽过热器直管(含焊缝)、弯头的截面进行硬度测定，结果见表3。

表3数据显示，蒸汽过热器管的硬度值符合GB13296-1991《锅炉、热交换器用无缝钢管》标准对1Cr19Ni9钢的硬度要求。

5 裂纹形态及显微组织检验
分别在转化炉含裂纹的直管和弯头处截取试样，观察面为纵截面。

宏观观察，裂纹均起裂于管内壁，有的已穿透管壁。

试样经机械抛光，并经电解侵蚀后，用光学显微镜观察，典型裂纹形貌见图5～7。

图5 焊缝附近母材裂纹形貌图6 焊缝热影响区裂纹形貌
图7 弯头处裂纹形貌
所有观察到的裂纹均从管内壁向外壁呈树枝状扩展。

裂纹附近无明显塑性变形，为典型的应力腐蚀裂纹。

裂纹扩展形态以穿晶为主，部分呈沿晶。

另从弯头上截取两块试样，对其中一块进行固溶热处理。

两块试样经机械抛光，化学侵蚀后，在光学显微镜下观察弯头材料重新固溶热处理前后的显微组织，观察面为纵截面，观察结果见图8。

由图可见，弯头材料的组织为奥氏体组织，晶粒为等轴晶，未发现晶界碳化物析出等组织缺陷。

(a)使用态弯头的显微组织 (b)重新固溶热处理后弯头的显微组织
图8 过热器管弯头之显微组织
6 断口扫描电镜检验
分别在含有裂纹的直管和弯管处取样，选择细小裂纹，并将裂纹面打开，对断口进行扫描电镜观察，结果见图9～10。

图9显示裂纹的裂源位于管子内壁，即裂纹由管内壁向外壁扩展。

图10为裂尖附近的断口形貌，由图可见，断口呈典型的脆性穿晶的解理形貌，并有大量的混晶二次裂纹。

图9 裂纹的断口形貌图10 裂尖附近断口形貌
图11 断面腐蚀产物能谱分析
7 断口腐蚀产物能谱分析
对断口表面的腐蚀产物进行X光能谱分析，结果见图11，断面腐蚀产物为氧化物，并有一定量的钠元素，未发现断面上的Cl-。

8 试验结果分析
(1)蒸汽过热器管的化学成分分析及显微组织检验结果表明，钢管的化学成分符合GB13296-1991标准的要求。

其显微组织正常，为奥氏体+少量铁素体。

(2)蒸汽过热器裂纹均发生在焊缝附近或弯头上，由管内壁向外壁扩展。

裂纹分叉并以穿晶为主。

(3)裂纹断面的断口形貌为脆性穿晶解理形貌，并有大量混晶的二次裂纹，具有明显的应力腐蚀裂纹特征。

能谱分析结果表明，裂纹面上的腐蚀产物为氧化物，并有钠元素，未发现Cl-。

(4)蒸汽过热器管的拉伸性能及硬度值均符合GB13296-1991《锅炉、热交换器用无缝钢管》标准的规定。

经重新固溶热处理后，直管、弯头及焊缝的硬度以及直管的屈服强度和抗拉强度均有所降低，塑性有所提高。

9 失效原因分析
(1)蒸汽过热器管的裂纹形态和断口形貌具有应力腐蚀裂纹的特征，可以确定，蒸汽过热器的开裂属应力腐蚀开裂。

(2)在NaOH环境中，奥氏体不锈钢的耐蚀性仅稍高于铸铁和碳钢。

一般1828型不锈钢仅可用于90℃以下的极稀碱液中，当碱液浓度超过0.1%时，奥氏体不锈钢即会产生应力腐蚀，并随着应力和温度的提高更容易开裂。

文献[2]给出了1828与18212Mo2不锈钢在NaOH溶液中发生应力腐蚀的温度与浓度范围，当温度高于300℃时，1828型不锈钢在浓度很低的碱液中，一天内即会发生应力腐蚀开裂。

可见，一般的奥氏体不锈钢在NaOH环境中具有应力腐蚀敏感性，而在高温时更为严重。

(3)现场观察以及能谱分析结果表明，在煮炉过程中，碱液由汽包进入蒸汽过热器，且有相当的浓度。

现场操作记录显示，煮炉过程中，过热蒸汽温度在200℃以上达78h，其中超过300℃的时间达60h。

由于转化炉炉气温度高，煮炉过程的蒸汽量小，进入蒸汽过热器中的碱液会进一步浓缩，从而构成奥氏体不锈钢产生严重应力腐蚀的特定环境。

(4)蒸汽过热器管的裂纹主要分布在焊缝附近或弯头上，这些部位有残余应力等附加的应力。

另外，由于集汽管的下端固定，在升温过程中，集汽管向上膨胀，也使得与其相连的直管产生较大的附加应力，这些应力是促成蒸汽过热器管腐蚀开裂的力学因素。

综上分析，在煮炉过程中碱液进入蒸汽过热器，同时蒸汽过热器在煮炉过程中蒸汽温度超过300℃的时间达60h，在此条件下，在蒸汽过热器残余应力和附加应力较大的部位，不可避免地发生应力腐蚀开裂，直至断管。

10 结论
制氢装置转化炉蒸汽过热器管开裂，是由于中压汽包煮炉过程中碱液进入蒸汽过热器所导致的应力腐蚀开裂。