分享：甲醇洗涤塔管线用弯头开裂原因
摘 要:某甲醇洗涤塔管线用304不锈钢弯头在使用过程中发生开裂。采用宏观观察、化学成 分分析、力学性能测试、断口分析、金相检验等方法,分析了弯头开裂的原因。结果表明:弯头发生 了应力腐蚀开裂,弯头的焊缝焊接质量较差、残余应力较大以及在含硫元素的腐蚀环境中服役等因 素共同导致了该弯头发生开裂。
关键词:304不锈钢;弯头;连多硫酸;应力腐蚀开裂
中图分类号:TB31 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)05-0037-03
低温甲醇洗工艺是大型煤化工企业普遍应用的脱 硫、脱碳工艺,其中甲醇洗涤塔是低温甲醇洗工艺的核 心设备[1]。某甲醇洗涤塔的合成气管线弯头材料为 304不锈钢,内部介质主要为氢气和一氧化碳,以及微 量的二氧化碳和硫化氢。该弯头的运行温度约为 -45℃,运行压力为3.2MPa,外部裸露在空气中,该 合成气管线系统在运行期间存在一段时间的停工,复 工后不久弯头发生泄漏,经核查发现,该管线系统中有 1件弯头发生开裂。笔者进行了一系列理化检验,分析 了该弯头开裂的原因,以避免该类事故再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
开裂弯头的宏观形貌如图1所示,可见裂纹 位于弯头侧面,一侧尖端与端部焊缝的距离约为 6cm;弯头内壁与外壁裂纹的长度基本相同,约为 15cm,裂纹较窄,整体较平直,完全贯穿,中部存 在一定角度的弯折;弯头整体仍保持较明显的金 属色,内壁和外壁均 未 发 现 明 显 的 磕 碰 或 变 形 痕迹。
1.2 化学成分分析
在开裂弯头上取样进行化学成分分析,结果 如 表 1 所 示,可 见 弯 头 的 化 学 成 分 符 合 GB/T 12771—2019《流体输 送 用 不 锈 钢 焊 接 钢 管》的 要求。
1.3 力学性能测试
在开裂弯头上取样进行力学性能测试,结果如 表2所示,可见试样的抗拉强度和屈服强度满足 GB/T12771—2019 的 要 求,断 后 伸 长 率 不 满 足 GB/T12771—2019的要求。
1.4 断口分析
将开裂弯头沿裂纹人工打开,对断口进行宏观观察,结果如图2所示。由图2可知:断口上存在两 处较为明显的半圆弧,两个半圆弧相交,其中靠近弯 头内壁的半圆弧较小,该半圆弧的形貌疑似为双面 焊焊缝形貌;整个断口存在较明显的扩展棱线,棱线 的扩展方向主要为从内壁半圆弧向外壁及两侧同时 扩展,初步判断裂纹扩展区位于内壁半圆弧处。
在该断口处取样,经磨抛、腐蚀后进行低倍组织 观察,结果如图3所示。由图3中的观察面可见焊 缝特征,推断该焊缝平行于弯头轴向。
将该断口试样置于扫描电镜(SEM)下进行观 察,结果如图4所示。由图4可知:内壁裂纹源区可 见沿焊缝柱状晶开裂形貌,扩展区主要呈沿晶断裂 特征,外壁裂纹源区的形貌与内壁基本一致。对裂 纹源区进行能谱分析,发现裂纹源区存在含硫元素 的腐蚀性介质。
1.5 金相检验
在弯头上取样进行金相检验,结果如图5所示。 由图5可知:裂纹源区焊缝夹杂物含量较多,显微组 织为树枝状奥氏体+δ铁素体;裂纹源区附近基体 夹杂物含量较低,显微组织为孪晶奥氏体+δ铁素 体,晶粒度级别为7.5级,奥氏体晶粒内分布有大量 滑移 线,晶 界 上 颗 粒 状 析 出 物 较 多,析 出 物 为 Cr23C6,裂纹源区附近基体存在敏化现象[2]。
2 综合分析
由上述理化检验结果可知,该弯头的化学成分 满足标准要求,断后伸长率低于标准要求。断口分 析结果表明,弯头上存在平行于弯头轴向的焊缝,弯 头裂纹源区位于该焊缝上;断口附近无明显的宏观塑性变形,裂纹从弯头内壁焊缝向外壁及两侧扩展, 裂纹源区可见柱状晶开裂形貌,整个断口主要呈沿 晶断裂特征。裂纹源区的能谱分析结果显示,裂纹 源区存在含硫元素的腐蚀性介质。裂纹源区焊缝夹 杂物含量较多,腐蚀后裂纹源区附近基体晶界上存 在点状析出,基体观察到大量滑移线。说明在加工 过程中,该弯头的变形量较大,存在加工硬化现象, 进而发生了应力腐蚀开裂。
金属构件发生应力腐蚀开裂需要同时满足敏感 的材料、拉应力和特定介质等基本条件。该开裂弯 头工作时,管道内部存在硫化氢气体;弯头工作系统 有过一定时间的停工,在停工期间有空气和水进入, 与工况中原有的硫化氢反应,生成连多硫酸,断口主 要呈沿晶特征,符合奥氏体不锈钢在连多硫酸环境 下发生应力腐蚀开裂的微观特征。
金相检验结果表明,裂纹源区焊缝夹杂物的含量较 多,腐蚀后观察到裂纹源区附近基体晶界上存在 Cr23C6 析出,焊缝周围存在敏化现象,降低了材料 的耐腐蚀性能,使该处焊缝焊接质量变差;管材基体 观察到大量滑移线,存在较为明显的加工硬化现象, 自身残余应力较大,腐蚀介质和材料符合应力腐蚀 开裂条件[3]。
综上所述,弯头在含硫元素的腐蚀性介质中发 生了应力腐蚀开裂,裂纹起源于弯头的焊缝处,焊缝 焊接质量较差是裂纹产生的内因,弯头存在较大的 应力、工况为含硫元素的腐蚀环境是裂纹产生的外 因,其中焊缝焊接质量较差是导致弯头裂纹产生的 主要因素。
3 结论与建议
该弯头开裂的原因为应力腐蚀开裂,裂纹起源 于弯头焊缝处;弯头焊缝较差的焊接质量、弯头较大 的残余应力以及含硫元素的腐蚀环境共同导致了弯 头发生开裂。
建议在焊接过程中,控制焊接工艺,降低夹杂物 的含量,以避免弯头运行温度长时间处于敏化温度 区间内;降低弯头残余应力,并杜绝产生湿硫化氢腐 蚀环境。
参考文献:
[1] 黄君领.甲醇洗涤塔的分段吊装[J].石油化工建设, 2014,36(5):56-59.
[2] 乔亚杰,程孝成.06Cr19Ni10不锈钢关节轴承断裂分 析[J].理化检验(物理分册),2012,48(11):762-765.
[3] 翟立飒.材料表面质量对焊接接头应力腐蚀开裂的影 响[J].理化检验(物理分册),2013,49(9):580-584.
<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 5期 (pp:37-39)>
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