316不銹鋼孔板流量計(jì)導(dǎo)壓管斷裂的原因分析與檢查流程

　　在工業(yè)化迅速發(fā)展的大時(shí)代，缺少不了壓力變送器、流量計(jì)、液位計(jì)、密度計(jì)、差壓變送器等儀表把現(xiàn)場第一數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦た叵到y(tǒng)上，為整個工業(yè)自動化系統(tǒng)充當(dāng)控制、檢測等一系列的眼睛，接下來華恒儀表為您解讀工業(yè)現(xiàn)場最前沿的壓力變送器使用情況。

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

　　0前言

　　2015年12月某化工廠發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)查起火原因?yàn)榘惭b在40-P-2242002-B1X-P1工藝管線上的22FT42427C孔板流量計(jì)導(dǎo)壓管斷裂，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏所致。該導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)為ASTMA269，規(guī)格為12．0mm1．0mm，材質(zhì)為316不銹鋼，操作溫度為68℃，操作壓力為2．63MPa，導(dǎo)壓管外有伴熱管，并有外保溫。為查明導(dǎo)壓管失效原因，防止類似事件的再次發(fā)生，對失效接管進(jìn)行分析。

　　1宏觀檢查

　　開裂導(dǎo)壓管中間段垂直向上，兩端處于水平狀態(tài)，導(dǎo)壓管安裝及斷裂位置如圖1。斷裂位置位于導(dǎo)壓管下部的水平段，斷口在卡套接頭的根部。測量導(dǎo)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(jì)導(dǎo)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?yàn)楦g區(qū)域，黑色覆蓋物為腐蝕產(chǎn)物。上部黑色區(qū)域位于一個凹下去的缺口內(nèi)，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(cè)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(cè)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?yàn)檩^先開裂區(qū)域，長時(shí)間受介質(zhì)和空氣腐蝕而形成，即為裂紋源。

　　2微觀分析

　　2．1導(dǎo)壓管化學(xué)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(dǎo)壓管化學(xué)成分，結(jié)果見表1。

　　經(jīng)分析，管材化學(xué)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(jì)導(dǎo)壓管開裂位置附近取金相樣品進(jìn)行分析，金相組織見圖2。經(jīng)分析導(dǎo)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(yàn)證明該導(dǎo)壓管經(jīng)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(jīng)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(shí)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(nèi)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(chǎn)物的1區(qū)進(jìn)行能譜分析，見圖7。

　　經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)斷口表面的腐蝕產(chǎn)物區(qū)域有大量的白亮色的顆粒，經(jīng)分析該白色顆粒中除了含有工藝介質(zhì)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(dá)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(jìn)行能譜分析。將所取樣品進(jìn)行編號，其中1號為新保溫層的外側(cè)材料，2號為新保溫層的內(nèi)側(cè)材料，3號為舊保溫層外側(cè)材料，4號為舊保溫層內(nèi)側(cè)材料，檢測結(jié)果見表2。

　　從檢測結(jié)果可看出，新保溫層內(nèi)外層材料皆不含Cl元素，而舊保溫層內(nèi)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(jìn)入其中的。

　　3分析與討論

　　通過上述分析可知，導(dǎo)壓管金相為固溶狀態(tài)奧氏體組織，未見異常?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果符合ASTMA213中316不銹鋼要求。斷裂導(dǎo)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(dǎo)壓管邊緣。該區(qū)域在安裝后有2個特點(diǎn):一是接頭部位受到與接管鏈接的法蘭作用，安裝牢固，而導(dǎo)壓管在密封管箍根部形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位;二是由于安裝時(shí)密封管箍收緊力作用，在管箍內(nèi)部管段存在壓應(yīng)力，管箍邊緣管段存在較大的拉應(yīng)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(yīng)力腐蝕開裂。斷口黑色區(qū)域腐蝕產(chǎn)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(jìn)入材料中。分析工廠建設(shè)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(jīng)歷了疲勞過程。疲勞斷裂需要一定的交變載荷的作用，導(dǎo)壓管在工作過程中，由于內(nèi)部介質(zhì)壓力及壓力傳導(dǎo)方向的變化造成了孔板流量計(jì)導(dǎo)壓管的震動，也就為疲勞斷裂提供了一個交變載荷。疲勞擴(kuò)展過程幾乎占據(jù)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(xiàn)。9區(qū)和11區(qū)為韌窩形貌，證明該處為受拉應(yīng)力作用的zui后的瞬斷區(qū)，該區(qū)域很小，是由于導(dǎo)壓管直徑只有12mm，能夠承受相當(dāng)大的介質(zhì)內(nèi)壓，不易被內(nèi)壓破壞的原因。斷口中存在的Cl元素是造成導(dǎo)壓管發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的原因，而S元素在應(yīng)力腐蝕和疲勞斷裂過程均不起決定性作用，應(yīng)為介質(zhì)中帶來，不再做其他分析。應(yīng)力腐蝕過程中在應(yīng)力和介質(zhì)的共同作用下，使材料表面覆蓋層破裂，局部開始化學(xué)侵蝕，形成微裂紋，此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為裂紋源。因?yàn)楦g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(dǎo)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(jì)導(dǎo)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(jìn)入保溫層，并在導(dǎo)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(yīng)力和導(dǎo)壓管震動時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力共同作用下，造成了導(dǎo)壓管的應(yīng)力腐蝕開裂［4，7］，此時(shí)應(yīng)力腐蝕開裂占據(jù)主導(dǎo)地位。應(yīng)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(kuò)展提供了交變載荷，當(dāng)應(yīng)力腐蝕開裂裂紋達(dá)到一定值時(shí)，便開始了疲勞裂紋的擴(kuò)展，此時(shí)疲勞開裂便占據(jù)了主導(dǎo)地位，故應(yīng)力腐蝕裂紋只在導(dǎo)壓管表面，而斷口內(nèi)部為疲勞裂紋。也就是說疲勞裂紋擴(kuò)展是在當(dāng)應(yīng)力腐蝕開裂形成的裂紋達(dá)到門檻值后才能進(jìn)行，若無應(yīng)力腐蝕，則疲勞失效不足以發(fā)生或者延遲發(fā)生。故應(yīng)力腐蝕是造成本次導(dǎo)壓管早期失效的根本原因。

　　4結(jié)論及建議

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

　　(2)導(dǎo)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(jìn)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。