高压蒸汽管道三通使用十万小时后性能分析

王道银，杨迎春

（云南云天化股份有限公司，云南昆明 650300）

云南天安化工有限公司是云南云天化股份有限公司下属的一家以生产合成氨和磷肥的大型企业，公司位于昆明安宁市，主要生产装置有壳牌煤气化、5×105t/a 合成氨、三台150 t/h 高温分离循环流化床锅炉以及两套835 硫酸磷酸和磷肥生产装置等。

天安化工有限公司的锅炉、煤气化和合成氨生产装置始建于2003 年，2007 年装置陆续建成投产后进入生产正常运行阶段。其中循环流化床锅炉产的高温高压蒸汽主要供余热汽轮发电机组、空分压缩机组、合成压缩机组和煤气化装置使用。自2007 年锅炉装置投产以来，高压蒸汽管网系统连续稳定运行近十三年，累计运行时间约十万小时。

2020 年1 月28 日，锅炉系统高压蒸汽管网母管与汽轮发电机组的蒸汽管道连接三通发生泄漏，造成锅炉紧急切换备用炉，汽轮发电机组紧急停机，给生产造成了一定的影响。因蒸汽母管系统上还有三只同类型号的管道三通，无法判断这些三通是否发生了材质劣化，是可以继续使用还是要准备备件进行更换，需要对发生故障的管道三通进行准确的材质分析，根据材质分析数据结果来评定其余在役三通使用十万小时后的性能状况，为下一步的工作提供科学决策依 据。

1 三通使用情况及故障位置

锅炉供汽采用母管制结构，为外界生产装置提供蒸汽，锅炉正常生产时为2 开1 备。锅炉额定出力为150 t/h，操作压力为9.8 MPa，操作温度为540 ℃，工艺介质为高温高压蒸汽。

2020 年1 月28 日，供汽管网三通出现泄漏，具体位置是主蒸汽母管至汽轮发电机组管道三通上，泄漏点位于三通的肩部，长约20 mm，已开裂穿透，裂纹为纵向方向开裂。

该管道三通材质为12Cr1MoVG， 规格为φ450×38/273×25 mm， 管 道 号 为HS-3204-375-HXGH1-H10。在供汽系统的同一根母管上，还有三个同样型号、规格和同批次投入使用的三通。

三通在蒸汽母管系统中所处位置见图1 所示。

图1 三通在蒸汽系统中位置Fig.1 Position of tee in steam system

2 三通材质分析情况

2.1 分析项目

三通发生开裂泄漏，可能与三通材质成分及金相组织等有关。

为了准确分析判断该三通与其余另外三个三通的材质情况，拟定了以下分析项目：

三通材质化学成分、机械性能（包括抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度、20 ℃冲击功值）以及材料的金相组织和珠光体球化情况（分别取三通壁厚断面外表面、中部、内表面三个试样）等。

2.2 化学成分分析

在三通本体母材上取样，送云南省黑色冶金产品质量监督检验站进行材质化学成分分析，结果见表1 所示。

表1 化学成分分析数据对比表Table 1 Comparison table of chemical composition analysis data %

从化学成分分析结果看，三通材质符合标准规范（GB/T 5310—2017）要求，是合格的。

2.3 机械性能分析

在三通上取样，进行抗拉强度、屈服强度、延伸率、20 ℃冲击功以及硬度检验，结果见表2 所示。

表2 机械性能分析数据对比表Table 2 Comparison table of mechanical performance analysis data

从三通的样品机械性能分析数据结果可知，材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及布氏硬度均符合标准要求，但20 ℃冲击功吸收能量值均低于标准要求，平均为24 J，仅为标准值的60%。

2.4 金相组织分析

管道三通壁厚较厚（38 mm），为了比较全面分析材质金相组织情况，在三通壁厚方向的外表面、中部和内表面分别各取一个样品，分别进行金相组织分析，结果见图2～4 所示。

图2 材料外表面金相组织Fig.2 Metallographic structure of the outer surface of the material

图3 材料中部金相组织Fig.3 Metallographic structure in the middle of the material

从壁厚的外表面、中部和内表面三个不同部位的金相组织分析可知，金相组织均为铁素体+珠光体组织，球化程度不均匀，球化级别为4 级（约80% ～ 85%）+2 级（约15% ～ 20%）。材料内表面金相组织存在带状组织现象，带状组织级别为2.5 A。

3 分析讨论

从三通样品的化学成分分析结果看，材质符合标准要求，说明管道三通材料成分没有问题。

样品的抗拉强度、屈服强度、延伸率、布氏硬度分析结果均符合标准规范要求，说明三通材质的机械强度满足要求。

但是样品的20 ℃冲击吸收能量三个值都比标准要求低，平均冲击吸收能力值仅有24 J，仅为标准要求的60%，说明材料的塑性和韧性较差，在使用过程中容易发生脆性开裂。

管道三通在制造过程中，无论采用冷成型或者热挤压的方式，肩部转角处的应力都是最大的，此处是三通应力集中部位，使用过程中由于材质塑性和韧性变差，应力集中部位极易发生开裂现象。

从三通开裂处的宏观检查看，该裂纹属于脆性开裂，呈明显的脆性断裂断口特征。

材料金相组织中的带状组织是钢材内部缺陷之一，一般出现在热轧低碳钢的显微组织中，沿轧制方向平行排列，成层状分布，主要形成原因多为钢材成分偏析造成或者热处理冷却过程中铁素体发生枝晶偏析和非金属夹杂延伸而形成的。带状组织使钢材的力学性能产生各向异性，沿着带状组织纵向强度较高，韧性较好，但横向方向的强度较低、韧性较差。

由于材料中存在带状组织，使得材料的冲击功值较低，材料塑性较差，脆性较大，长期使用存在发生脆性开裂的可能性，有一定的安全隐患。

4 分析结论

从三通的材质化学成分、机械性能分析数据分析，材质符合标准规范，机械强度满足要求，但是材料存在着带状组织，使得材料的韧性较差，冲击功值较低，大部分金相组织球化级别达4 级（重度球化），材料性能已经发生了部分劣化，使用性能已有所下降，以致三通在使用了约10 万小时后在应力集中的肩部发生了开裂现象。根据上述分析情况，在具备条件的情况下，还是应该尽快准备备件进行更换。

根据上述分析结论，天安化工有限公司于2020年2 月份已将泄漏三通进行了更换，剩余三通于2020 年5 月份进行了更换，至今运行正常，确保了蒸汽系统以及其他生产装置的安全可靠运行。

5 结束语

大型合成氨生产装置高温高压蒸汽系统的管道三通是系统中的重要组成部件，正常使用寿命一般在二十万小时以上，对于仅使用十万小时左右但出现了异常泄漏故障的材质，进行了彻底全面的材质分析。通过分析，发现了材料本身存在的质量问题，对准确判断同批次材质性能提供了科学的依据。同时也将这批次的管道三通存在的埋藏隐患消除，保障了蒸汽系统的安全可靠运行。此外，在材料备件采购过程中，应特别重视管道三通原材料质量、制造过程质量和热处理过程质量监控，把问题发现和处理在过程中，不让有缺陷的产品使用到生产装置上，才能确保生产装置的安全稳定运行。