管道类失效分析实例
管道是由无缝钢管或焊接钢管用接头或阀门联接的气体或液体的通道。它主要起预热、冷却及输送气体或液体的作用。
管道的破裂，尤其是压力管道的突然破裂或炸裂是非常严重的事故，必须立即停止工作，以最大限度地减轻或避免其它容器及管道的损坏。管道破裂常常造成泄漏。
管道的破裂失效可以划分为过热引起的破裂和脆化引起的破裂两种类型。
过热引起的破裂失效，通常主断口具有鱼嘴形貌，其中又分为“厚唇’式或“薄唇’式两类破裂失效。
脆化引起的破裂失效包括：腐蚀或积垢引起的破裂；疲劳失效、冲击引起的破裂；应力腐蚀开裂失效及其它形式失效等。
本章主要介绍锅炉预热管、化工设备中的冷却管及其它用途的管道失效的分析实例。
冷却管失效分析
1．化肥设备中的外冷管失效
由上海某锅炉厂生产的化肥设备，用汽车运往安徽某化肥厂，到厂后发现设备中的外冷管已发生开裂。其材质为18-8奥氏体不锈钢，外冷管断裂在螺纹部位，图1显示外冷管断口的宏观形貌。图2显示外冷管断口的微观电子图象。
化肥设备由于用汽车长途运输，没有采用防振措施，一路颠簸振动，使化肥设备中各类管道、花卷板等在试车时均开裂，并且是疲劳断裂。因此可认为这是由于运输振动引起的疲劳断裂。
图1 OPI 图象说明：
断口较平滑，断口受到机械摩擦或机械擦伤情况较严重。宏观形貌特征具有许多台阶，其裂纹在外冷管表面萌生，向内表面扩展。
图象说明：
具有明显的疲劳断裂的微观
特征——疲劳辉纹，箭头指示的方
向为疲劳裂纹的扩展方向。
图2 TEM 10000×
2．氨冷凝器冷却管失效
某化肥厂用于90m3氨冷凝器中的冷凝管管材为1Cr18Ni9Ti，管外径为φ14mm，内径为φ6mm，工作时管内通氨，管外壁用黄浦江水冷却，工作温度约200℃左右，使用约一年发现多根冷凝管有泄漏现象。拆下检查时在泄漏处发现有多条裂纹如图3所示。把裂纹打开，它的断口宏观形貌如图4所示。
图3 OPI 图象说明：
失效冷却管外观形貌。在管外壁可观察到多条裂纹。
图象说明：
图3的冷却管沿裂纹处打开
后的断口宏观形貌，可发现断口
上有一层腐蚀产物覆盖。根据裂
纹的外观形貌及断口特征，判定
裂纹均起源于外壁，并向内壁扩
展。
图4 OPI
3．船用预热水管断裂失效
船用预热水管材料为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢。预热温度为60~70℃，水压为200kPa，预热水管只使用1400小时就发生破裂现象。
预热水管断口宏观形貌呈人字条纹。根据人字条纹的指向可断定：裂源位于水管内壁表面，裂纹从内壁向外壁及两侧扩展。裂源区的微观形特征见图5、图6。
根据断口的宏观、微观形貌特征，可断定预热水管的断裂属疲劳脆断。疲劳起源于水管内壁表面，呈聚集、串链状的氮化物夹杂。
图5 TEM 5000×图象说明：
船用预热水管断口裂源区的电子图象。具有大块状的氮化物夹杂，夹杂周围有明显的二次裂纹。
图6 TEM 5000×图象说明：
船用预热水管断口裂源区的微观形貌。具有明显的疲劳辉纹，疲劳起源于串链状氮化物夹杂处。图上还可见到机械擦伤条纹，如箭头所指。
锅炉管道失效分析
1．锅炉过热蒸汽管的开裂失效
过热蒸汽管是某糖厂锅炉的一个重要部件，用φ42×3.5mm的12CrMoV牌号的无缝钢管制成，通过它产生3939kPa压力和450℃的蒸汽。
工作时，过热蒸汽管外露在800~900℃的火烟中加热，燃料为煤粉。实际运行9个月后，过热蒸汽管爆裂失效。
过热蒸汽管爆裂失效的宏观形貌见图7。在断口裂缝尖端（箭头所指处）截取试样，沿纵向外壁面磨制金相试样，肉眼可见相互平行的纵向裂纹（见图8箭头所指）。
图象说明：
过热蒸汽管破裂处宏观形貌。断裂
（裂口）沿轴向扩展，裂源处变形鼓起，
管外壁锈蚀严重。从裂口处看内壁，内
壁有轻微锈蚀，内壁的其余部位均呈光
滑的黑褐色。
图7 OPI 0.33×
图8 OPI 3×
图象说明：
在裂口尖端附近截取试样，沿轴向外壁磨制金相试样，经抛光，在不浸蚀条件下，肉眼可见相互平行的纵向裂纹，如白色箭头所指。由此可见，管壁的薄弱之处已普遍存在。黑色箭头所指为另一个腐蚀麻坑。
2．20g 钢管爆裂原因分析
φ38×5mm 壁厚之20g 钢管，是上海某锅炉厂生产的锅炉用过热器管。该过热器管使用情况：过热器出口温度380~400℃，管外烟气温度750~800℃，管内工作压力为15～20kg/cm 2。该新锅炉安装使用一个月左右，过热器中间面向炉堂第三排上部处管子即发生爆裂事故。开裂管子实物形貌如图9所示。开裂部分隆起，裂口由内壁向外张开呈鱼嘴状，中间宽，两头细，其长度约为60mm ，最宽处为5mm ，裂纹最薄处的厚度仅为管壁厚度的
2
1。开裂处周围布有较多沿纵向分布粗细不一的裂纹，断口截面上可观察到大量腐蚀坑，管子外表面已严重锈蚀。
分别在裂纹尾端、近裂纹尾端但未开裂处及管子较正常部位截取试样，进行金相观察分析。未经浸蚀试样磨面上的腐蚀及氧化情况如图10、11所示。
此管外表上有较多厚薄不一之浅灰色氧化皮层及严重腐蚀凹坑，以及粗细不一之裂纹，说明该过热器管较长时间处于高温状态下工作，引起表面严重氧化与脱碳。从宏观断口上可观察到该炉管上有的腐蚀凹坑，深度已达到钢管截面，大大降低了钢管的有效截面。
该锅炉在使用过程中曾停炉四次(炉温冷热有起伏)，按正常热处理该钢管之微观组织应为铁素体+珠光体，而从过热器管出现的铁素体及点粒状珠光体以及沿晶呈半网式网状渗碳体之组织可知，该过热器管在较长时间内处于高温下及在温度时有起伏的条件下， 由于金相组织的改变导致钢管强度剧烈下降，脆性显著增大。
综上所述，该过热器管爆裂原因，是钢管表面在烟气高温条件下产生严重氧化与脱碳，并有大量腐蚀凹坑与沿晶裂纹，使钢管厚度大大减薄，又在管内较大的压力作用下，当钢管厚度承受不了内在压力时，导致过热管的早期爆裂而失效。
