管帽-封頭
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中國石油大慶石化公司化肥廠合成氨裝置合 成氣壓縮機高壓汽輪機入口高壓蒸汽管道上的管 帽產(chǎn)生了開裂泄漏．裝置隨即按程序停車，避免了 一次重大事故。該高壓蒸汽管道于1976年投入使 用。已經(jīng)使用了36a。管道尺寸規(guī)格為4,355ram× 23．8 mln．材質(zhì)為ASTM335標準的P11牌號，國內(nèi) 牌號相當于12CrlMoV材質(zhì)．管帽為P11鋼鍛造成 型(其化學成分見表1)，管帽材質(zhì)SA335一P11力 學性能：O'b≥415 MPa。tr,>，205 MPa。按照正火熱處 理供貨狀態(tài)。其金相組織應該為鐵素體+珠光體。 管道內(nèi)蒸汽壓力為10．5 MPa。溫度為430℃。
觀察開裂管帽外觀形貌．發(fā)現(xiàn)管帽外壁環(huán)焊 縫下部的一側(cè)有一條環(huán)形裂紋。裂紋并非筆直。呈 現(xiàn)波浪形水平環(huán)向延伸。管帽外壁環(huán)形裂紋弧線 長度測量為266mill。裂紋開裂寬度很窄，只有0．6 rain左右。環(huán)形裂紋處和下側(cè)區(qū)域的防腐漆脫落嚴 重。
從環(huán)焊縫位置切割開管帽后．發(fā)現(xiàn)管帽內(nèi)壁 腐蝕不嚴重．在與外壁裂紋對應的部位也有一條 環(huán)形疑似裂紋痕跡，其弧線長度測量約為90mm。 根據(jù)管帽外壁和內(nèi)壁宏觀形貌、裂紋長度對比以 及裂紋開裂寬度，可以初步判斷出，管帽裂紋萌生 于外壁，向內(nèi)壁方向擴展。
在管帽裂紋處截取出5個試樣．其中2個試 樣為裂紋兩側(cè)部位(未穿透裂紋)，3個試樣為裂紋 中間區(qū)域(穿透裂紋)。利用體式顯微鏡觀察試樣 的外壁和內(nèi)壁表面形貌．發(fā)現(xiàn)管帽外壁的波浪形環(huán)形裂紋穿透整個壁厚．到內(nèi)壁后匯合成比較平 直的裂紋，這就是管帽內(nèi)壁上觀察到的疑似裂紋。 從管帽未穿透裂紋試樣宏觀形貌可以看出．管帽 外壁有一段環(huán)形裂紋，而內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)裂紋．管帽外 壁裂紋擴展到接近內(nèi)壁時停止。這些進一步證明。 管帽裂紋萌生于外壁，向內(nèi)壁方向擴展。
管帽裂紋試樣斷口宏觀檢查分析 將3個穿透裂紋試樣破開．用超聲波清洗機 清洗干凈．利用體式顯微鏡觀察試樣的斷I：1宏觀 形貌．結(jié)果顯示管帽斷El整體表現(xiàn)出脆性斷裂形 態(tài)．斷口外壁一側(cè)不平整。有多個裂紋源匯聚形成 的裂紋擴展臺階。斷口內(nèi)壁一側(cè)比較平整．在內(nèi)壁 處有一窄條試樣破開時斷裂的新鮮區(qū)．這充分證 明了管帽裂紋是從外壁向內(nèi)壁擴展。 從管帽裂紋試樣斷El的宏觀形貌．可以推斷 出管帽開裂屬于延遲裂紋(經(jīng)過較長時間周期孕 育和擴展)，斷口形貌表現(xiàn)出脆性，符合應力腐蝕 開裂或疲勞開裂(高溫疲勞或熱疲勞)特征。
從管帽斷口表面低倍微觀形貌可以看出．斷 口表面未發(fā)現(xiàn)應力腐蝕特有的二次裂紋特征．斷 口低倍微觀形貌呈現(xiàn)出疲勞條帶形態(tài)。而表面高 倍微觀形貌(圖3)可以看出。斷12I表面覆蓋一層腐 蝕產(chǎn)物．由表3腐蝕產(chǎn)物成分檢測結(jié)果可以看出． 斷El表面腐蝕產(chǎn)物成分主要為鐵的氧化物．未發(fā) 現(xiàn)硫化物和氯化物。
管帽整體宏觀斷口屬于脆性斷裂．無明顯塑 性變形．因而排除了超壓過載塑性斷裂的可能性， 而符合脆性斷裂的失效形式有：超低溫條件脆斷、 高溫損傷石墨化脆斷、晶間腐蝕脆斷、應力腐蝕開 裂、疲勞開裂。
管帽使用無超低溫條件．而金相組織中無高 溫損傷石墨化現(xiàn)象，也無晶間腐蝕痕跡，因而可以 排除超低溫條件脆斷、高溫損傷石墨化脆斷、晶間 腐蝕脆斷的可能性。 管帽材質(zhì)為CrMo耐熱鋼．對鹵化物介質(zhì)應力 腐蝕比較敏感．但是管帽開裂斷口表面腐蝕產(chǎn)物 成分只有鐵的氧化物。并未發(fā)現(xiàn)任何硫化物。應力 腐蝕開裂的一個顯著特征為二次裂紋．而管帽斷 口表面以及附近金相組織中均未發(fā)現(xiàn)二次裂紋。 并且。
管帽如果是應力腐蝕開裂，應該在內(nèi)壁先萌 生裂紋而后向外壁擴展．而管帽實際失效條件是 在外壁先萌生裂紋而后向內(nèi)壁擴展。因此．可以排 除管帽應力腐蝕開裂的可能性。
最后．管帽的脆性斷裂只能是疲勞(高溫疲勞 或熱疲勞)斷裂這一種可能，并且管帽裂紋斷口的 宏觀和微觀形貌(疲勞條帶)也符合高溫疲勞或熱 疲勞的斷口特征。 高溫疲勞是材料在高溫環(huán)境下產(chǎn)生的蠕變與 應變循環(huán)疊加的疲勞[·]：熱疲勞是溫度大幅度變化 導致循環(huán)熱應力的疲勞斷裂形式[¨．二者失效機理 具有本質(zhì)區(qū)別。 管帽里的高壓蒸汽壓力比較平穩(wěn)．未出現(xiàn)劇 烈變化。
蒸汽壓縮機的震動很小。也不可能傳遞到 此處，因而可以排除高溫疲勞的可能性。所以。管 帽開裂只能是熱疲勞。 綜上所述．管帽熱疲勞開裂失效原因是管帽 外側(cè)保溫鐵皮密封不嚴．每次下雨都會有少量雨 水滲入管帽開裂部位附近．高溫管帽外壁受雨水 急冷收縮，管帽外壁局部產(chǎn)生很高的拉伸熱應力。 使用了36 a的管帽受雨水急冷產(chǎn)生熱應力的交變 循環(huán)次數(shù)可以達到數(shù)千次．足以在管帽外壁產(chǎn)生 裂紋并向內(nèi)擴展。造成管帽開裂泄漏。
