30万吨合成氨转化炉对流蒸汽过热管破裂分析

30万吨合成氨工程是大型化肥设备，失效蒸汽过热管采用12Cr3MoVSiTiB+76×8mm无缝管制成，钢管经过正火-回火-冷矫直-切头等制造工艺。为设备安全使用，在安装后对其过热蒸汽管先后进行两次水压试验。第一次试验为21.5KPA保压24h，试验正常，第二次试验时当压力加至19.8kPa时，其中一根管子发生爆破，破口呈贯穿性裂纹。为确保工程质量，分析破坏原因，对所有已安装的过热管进行无损检测。发现还有少数管子有裂纹，选择有裂纹的管子和无缺陷的管子各一根，在声发射检测仪监视下进行水压爆破试验。无裂纹的正常管子在117.6kPa以上时声发射预报开裂讯号，而探伤有裂纹的管子当压力加至49kPa时声发射检测仪发现有信号，保压半小时，此过程中不断有发射声产生，半小时后加压，升至92kPa时管子爆破。

正常管子当压力至160kPa时发生破裂，其爆破口形貌如图1所示，破口有明显的塑性变形，破口呈鱼嘴状断口，经电子显微镜观察，断口为韧窝，见图2，该断口属正常的应力过载爆破断口。

对无损检测有裂纹的断口，爆破口无塑性变形特征，破口处有一呈纺锥形的深褐色区，其表面已氧化，该区长度为5.5cm，说明属老裂纹，位于老裂纹处沿蒸汽管外壁有翘皮等宏观缺陷，老裂纹区两端则是具有金属光泽的新鲜断口，其上有人字形条纹自老裂纹发散，断口形貌如图3所示。

用透射电镜对断口进行观察，分别在断口的老裂纹区、人字纹区和老裂纹与人字纹的交界区作观察，在老裂纹区其断口形貌为具有河流状花样的解理断裂。由于该区开裂时间较久，微观断口形貌上除河流状花样外，还有氧化特征，见图4，其上分布有细小的氧化腐蚀产物。人字纹区断口微观形貌也为河流状解理断裂，见图5。两部分区的交界处用放大镜观察可看到有约2mm宽的较平坦区，其微观断口形貌为韧窝，这部分区对照试验时隋况，应属于压力在49kPa时保压半小时过程中的裂纹扩展区，电镜照片见图6。

图1   0.5X

图号：图1

说明：正常管压力爆破试验断口形貌，爆破口处有较大的塑性变形特征。

金属材料在常温下发生解理断裂，必须有很高的外应力作用。根据以上试验分析结果，当压力至49kPa时管子裂纹以韧窝型扩展，半小时扩展1～2mm长度，当压力升至92kPa时产生快速的解理断裂。而老裂纹区断口也为解理断裂，因此可以推断老裂纹形成时作用在管子上的外应力很高，此时起始裂纹(包括材料中的缺陷)远小于爆破试验时的原始裂纹(5.5cm长的老裂纹)，故需产生老裂纹区解理断裂的外应力势必大于92kPa。蒸汽管安装后的两次水压试验压力仅20kPa左右，故不可能在两次水压试验时产生裂纹。从管子的加工制造工艺分析，在热处理后冷矫直过程中要承受巨大的矫直应力，因此可以推断，造成管子产生老裂纹的主要原因是管子冷矫过渡。

图2  TEI 4000X

图号：图2

说明：图1中管子断口透射电镜复型图像，由于爆破剧烈变形，韧窝被拉长，属撕裂韧窝，说明该断口为正常的压力爆破断口。

图3    0.5×

图号：图3

说明：经探伤有老裂纹的管子爆破断口形貌，图中呈纺锤形的黑色区为老裂纹(箭头所指)。颜色较浅的断口区为本次爆破时形成的新断口，其上有人字形条纹，“人”字的头部指向老裂纹区，说明爆破时从老裂纹区开始。外壁有翘皮缺陷。

图4  TEI 4000X

图号：图4

说明：为图3中老裂纹断口区电镜图像。具有河流状花样，属解理断裂。其上还有氧化腐蚀引起的麻点，这是因为裂纹开裂时间较长，裂纹内受空气中水汽的浸蚀所致。

图5  TEI 4000X

图号：图5

说明：为图3中断口的人字纹区断口电镜图像。也为河流状花样的解理断裂，但该部分为爆破试验时的开裂区，故断口无氧化腐蚀现象，河流花样清晰可见。