摘 要:某甲醇洗滌塔管線用304不銹鋼彎頭在使用過程中發(fā)生開裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成 分分析、力學(xué)性能測試、斷口分析、金相檢驗等方法,分析了彎頭開裂的原因。結(jié)果表明:彎頭發(fā)生 了應(yīng)力腐蝕開裂,彎頭的焊縫焊接質(zhì)量較差、殘余應(yīng)力較大以及在含硫元素的腐蝕環(huán)境中服役等因 素共同導(dǎo)致了該彎頭發(fā)生開裂。
關(guān)鍵詞:304不銹鋼;彎頭;連多硫酸;應(yīng)力腐蝕開裂
中圖分類號:TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)05-0037-03
低溫甲醇洗工藝是大型煤化工企業(yè)普遍應(yīng)用的脫 硫、脫碳工藝,其中甲醇洗滌塔是低溫甲醇洗工藝的核 心設(shè)備[1]。某甲醇洗滌塔的合成氣管線彎頭材料為 304不銹鋼,內(nèi)部介質(zhì)主要為氫氣和一氧化碳,以及微 量的二氧化碳和硫化氫。該彎頭的運(yùn)行溫度約為 -45℃,運(yùn)行壓力為3.2MPa,外部裸露在空氣中,該 合成氣管線系統(tǒng)在運(yùn)行期間存在一段時間的停工,復(fù) 工后不久彎頭發(fā)生泄漏,經(jīng)核查發(fā)現(xiàn),該管線系統(tǒng)中有 1件彎頭發(fā)生開裂。筆者進(jìn)行了一系列理化檢驗,分析 了該彎頭開裂的原因,以避免該類事故再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
開裂彎頭的宏觀形貌如圖1所示,可見裂紋 位于彎頭側(cè)面,一側(cè)尖端與端部焊縫的距離約為 6cm;彎頭內(nèi)壁與外壁裂紋的長度基本相同,約為 15cm,裂紋較窄,整體較平直,完全貫穿,中部存 在一定角度的彎折;彎頭整體仍保持較明顯的金 屬色,內(nèi)壁和外壁均 未 發(fā) 現(xiàn) 明 顯 的 磕 碰 或 變 形 痕跡。
1.2 化學(xué)成分分析
在開裂彎頭上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果 如 表 1 所 示,可 見 彎 頭 的 化 學(xué) 成 分 符 合 GB/T 12771—2019《流體輸 送 用 不 銹 鋼 焊 接 鋼 管》的 要求。
1.3 力學(xué)性能測試
在開裂彎頭上取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試,結(jié)果如 表2所示,可見試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿足 GB/T12771—2019 的 要 求,斷 后 伸 長 率 不 滿 足 GB/T12771—2019的要求。
1.4 斷口分析
將開裂彎頭沿裂紋人工打開,對斷口進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:斷口上存在兩 處較為明顯的半圓弧,兩個半圓弧相交,其中靠近彎 頭內(nèi)壁的半圓弧較小,該半圓弧的形貌疑似為雙面 焊焊縫形貌;整個斷口存在較明顯的擴(kuò)展棱線,棱線 的擴(kuò)展方向主要為從內(nèi)壁半圓弧向外壁及兩側(cè)同時 擴(kuò)展,初步判斷裂紋擴(kuò)展區(qū)位于內(nèi)壁半圓弧處。
在該斷口處取樣,經(jīng)磨拋、腐蝕后進(jìn)行低倍組織 觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3中的觀察面可見焊 縫特征,推斷該焊縫平行于彎頭軸向。
將該斷口試樣置于掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀 察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:內(nèi)壁裂紋源區(qū)可 見沿焊縫柱狀晶開裂形貌,擴(kuò)展區(qū)主要呈沿晶斷裂 特征,外壁裂紋源區(qū)的形貌與內(nèi)壁基本一致。對裂 紋源區(qū)進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)存在含硫元素 的腐蝕性介質(zhì)。
1.5 金相檢驗
在彎頭上取樣進(jìn)行金相檢驗,結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知:裂紋源區(qū)焊縫夾雜物含量較多,顯微組 織為樹枝狀奧氏體+δ鐵素體;裂紋源區(qū)附近基體 夾雜物含量較低,顯微組織為孿晶奧氏體+δ鐵素 體,晶粒度級別為7.5級,奧氏體晶粒內(nèi)分布有大量 滑移 線,晶 界 上 顆 粒 狀 析 出 物 較 多,析 出 物 為 Cr23C6,裂紋源區(qū)附近基體存在敏化現(xiàn)象[2]。
2 綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知,該彎頭的化學(xué)成分 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,斷后伸長率低于標(biāo)準(zhǔn)要求。斷口分 析結(jié)果表明,彎頭上存在平行于彎頭軸向的焊縫,彎 頭裂紋源區(qū)位于該焊縫上;斷口附近無明顯的宏觀塑性變形,裂紋從彎頭內(nèi)壁焊縫向外壁及兩側(cè)擴(kuò)展, 裂紋源區(qū)可見柱狀晶開裂形貌,整個斷口主要呈沿 晶斷裂特征。裂紋源區(qū)的能譜分析結(jié)果顯示,裂紋 源區(qū)存在含硫元素的腐蝕性介質(zhì)。裂紋源區(qū)焊縫夾 雜物含量較多,腐蝕后裂紋源區(qū)附近基體晶界上存 在點(diǎn)狀析出,基體觀察到大量滑移線。說明在加工 過程中,該彎頭的變形量較大,存在加工硬化現(xiàn)象, 進(jìn)而發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。
金屬構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂需要同時滿足敏感 的材料、拉應(yīng)力和特定介質(zhì)等基本條件。該開裂彎 頭工作時,管道內(nèi)部存在硫化氫氣體;彎頭工作系統(tǒng) 有過一定時間的停工,在停工期間有空氣和水進(jìn)入, 與工況中原有的硫化氫反應(yīng),生成連多硫酸,斷口主 要呈沿晶特征,符合奧氏體不銹鋼在連多硫酸環(huán)境 下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的微觀特征。
金相檢驗結(jié)果表明,裂紋源區(qū)焊縫夾雜物的含量較 多,腐蝕后觀察到裂紋源區(qū)附近基體晶界上存在 Cr23C6 析出,焊縫周圍存在敏化現(xiàn)象,降低了材料 的耐腐蝕性能,使該處焊縫焊接質(zhì)量變差;管材基體 觀察到大量滑移線,存在較為明顯的加工硬化現(xiàn)象, 自身殘余應(yīng)力較大,腐蝕介質(zhì)和材料符合應(yīng)力腐蝕 開裂條件[3]。
綜上所述,彎頭在含硫元素的腐蝕性介質(zhì)中發(fā) 生了應(yīng)力腐蝕開裂,裂紋起源于彎頭的焊縫處,焊縫 焊接質(zhì)量較差是裂紋產(chǎn)生的內(nèi)因,彎頭存在較大的 應(yīng)力、工況為含硫元素的腐蝕環(huán)境是裂紋產(chǎn)生的外 因,其中焊縫焊接質(zhì)量較差是導(dǎo)致彎頭裂紋產(chǎn)生的 主要因素。
3 結(jié)論與建議
該彎頭開裂的原因為應(yīng)力腐蝕開裂,裂紋起源 于彎頭焊縫處;彎頭焊縫較差的焊接質(zhì)量、彎頭較大 的殘余應(yīng)力以及含硫元素的腐蝕環(huán)境共同導(dǎo)致了彎 頭發(fā)生開裂。
建議在焊接過程中,控制焊接工藝,降低夾雜物 的含量,以避免彎頭運(yùn)行溫度長時間處于敏化溫度 區(qū)間內(nèi);降低彎頭殘余應(yīng)力,并杜絕產(chǎn)生濕硫化氫腐 蝕環(huán)境。
參考文獻(xiàn):
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<文章來源> 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 5期 (pp:37-39)>