硫黃回收裝置液硫泵蒸汽回流管失效分析

陳 勇

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270)

硫黃回收裝置液硫泵蒸汽回流管失效分析

陳 勇

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270)

硫黃回收裝置液硫輸送泵的蒸汽回流管多次發(fā)生開裂，開裂位置均為焊接接頭部位，裂紋起源于焊縫焊趾，沿環(huán)向擴(kuò)展，最終擴(kuò)展至彎頭母材，開裂長度達(dá)半周以上;外彎處焊縫錯(cuò)邊量約1 mm，內(nèi)彎處存在整圈1.5 mm高的未熔合。文章對(duì)液硫輸送泵蒸汽回流管的開裂彎頭進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)、成分分析、金相檢驗(yàn)和能譜分析，并結(jié)合工藝條件、對(duì)腐蝕機(jī)理和檢測結(jié)果進(jìn)行了失效分析，通過分析得出蒸汽回流管開裂主要是由于焊接質(zhì)量不高、金相組織不均勻和熱處理不好等原因?qū)е潞附咏Y(jié)構(gòu)存在高殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力在連多硫酸環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂所至;提出了更換材質(zhì)減少應(yīng)力腐蝕開裂和控制焊接成型質(zhì)量避免焊接缺陷的建議。

液硫 應(yīng)力腐蝕開裂 連多硫酸 奧氏體鋼

自2008年2月安裝投用后，硫黃回收裝置DGCY25-200液硫輸送泵的蒸汽回流管先后發(fā)生兩次開裂。2010年4月8日抽吸時(shí)，液硫壓力異常低，當(dāng)把蒸汽回流管從液硫池中取出檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)管道多處開裂并已裂透，開裂位置均為焊接接頭部位。

1 檢驗(yàn)檢測

1.1 宏觀檢驗(yàn)

觀察開裂樣管，發(fā)現(xiàn)開裂部位在彎頭外表面內(nèi)彎處，裂紋起源于焊縫焊趾，沿環(huán)向擴(kuò)展，最終擴(kuò)展至彎頭母材，開裂貫穿長度達(dá)半周以上，見圖1。

圖1 樣管裂紋示意Fig.1 The schematic diagram of pipe crack

對(duì)樣管剖開后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)存在焊接結(jié)構(gòu)缺陷，外彎處焊縫錯(cuò)邊量約1 mm，內(nèi)彎處存在整圈1.5 mm高的未熔合。外表面裂紋長度比內(nèi)表面長，由此可知裂紋源位于外表面;母材焊縫余高高度不一，裂紋源位置焊縫余高明顯低，見圖2。

圖2 焊縫缺陷照片F(xiàn)ig.2 Weld defects picture

1.2 化學(xué)成分分析

蒸汽回流管化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。蒸汽回流管化學(xué)成分與ASTM A276-1997《不銹鋼棒材和型材》中規(guī)定的321成分相比，S含量高。

1.3 金相檢驗(yàn)

對(duì)蒸汽回流管靠近裂紋端處的焊縫和母材進(jìn)行金相檢驗(yàn)。焊縫金相組織為奧氏體加鐵素體，母材金相組織為奧氏體;母材組織不均勻，熱處理(固溶處理及穩(wěn)定化處理)效果不好，見圖3和圖4。熔合線處組織可明顯看到晶界顏色偏深，說明晶界已經(jīng)腐蝕，且部分連成網(wǎng)狀見圖5。

從微觀形貌看裂紋源靠近母材外表面熔合線，主裂紋平直、較粗。裂紋有少許分支，分支尖端較小，為沿晶與穿晶相結(jié)合形式開裂。斷面無塑性變形呈脆性特征，為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋形貌，見圖6。

表1 蒸汽回流管化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of steam return pipe w，%

圖3 母材金相組織 200×Fig.3 The microstructure of parent materials

圖4 焊縫金相組織 200×Fig.4 The microstructure of weld joint

圖5 熔合線金相組織 200×Fig.5 The microstructure of fusion line

圖6 裂紋形貌 200×Fig.6 The morphology of Crack

1.4 鐵素體含量測量

用鐵素體儀測蒸汽回流管的鐵素體含量，檢測結(jié)果為，焊縫處鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.4%，母材處為0.0%。

1.5 能譜分析

對(duì)樣管開裂處端面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見表2。由表2可見腐蝕產(chǎn)物為硫化物、氧化物和無氯化物。

表2 能譜分析結(jié)果Table 2 The results of energy spectrum analysis

2 失效分析

(1)從宏觀看裂紋源位于外表面焊縫熔合線上，焊接質(zhì)量不高，存在錯(cuò)邊、余高高度不一和未熔合現(xiàn)象。

化學(xué)成分S含量高，使材質(zhì)容易開裂。S元素對(duì)鋼的力學(xué)性能、焊接性能、耐腐蝕性能均有不利影響。因鋼中硫主要以硫化鐵形式存在，硫化鐵與鐵形成低熔點(diǎn)共晶體分布于晶界上，鋼在焊接時(shí)由于低熔點(diǎn)共晶體熔化，使鋼材沿晶界開裂，發(fā)生“熱脆”，容易引起焊接熱裂紋。

(2)從微觀形貌看母材為熱處理(固溶處理及穩(wěn)定化處理)效果不好的奧氏體，化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)相對(duì)不均勻，耐腐蝕性降低，較易發(fā)生晶間腐蝕。裂紋呈沿晶與穿晶相結(jié)合形貌，為應(yīng)力腐蝕開裂形貌。熔合線處晶界已經(jīng)被腐蝕，且部分連成網(wǎng)狀。通過能譜分析，腐蝕產(chǎn)物中不含氯離子，只有硫和氧，為硫環(huán)境下的連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂。

(3)發(fā)生連多硫酸腐蝕開裂的機(jī)理:管道浸泡在液硫介質(zhì)環(huán)境中，液硫中含有H2S和活性硫，其化學(xué)性質(zhì)活潑，在高溫?zé)o水的情況下，可直接與設(shè)備表面的金屬鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成FeS。FeS在設(shè)備表面形成一層致密的膜，從某種意義上來說，對(duì)設(shè)備可起到一定的保護(hù)作用，阻止了其它物料對(duì)設(shè)備表面的進(jìn)一步腐蝕。但是，當(dāng)液硫輸送完畢，液面降到一定位置時(shí)，管道就暴露在空氣中，空氣中含有大量O2和水分與設(shè)備表面的FeS發(fā)生反應(yīng)，便可生成連多硫酸(H2SxO6=3，4，5…)，連多硫酸的生成構(gòu)成了應(yīng)力腐蝕環(huán)境［1－2］。

奧氏體不銹鋼經(jīng)過焊接或者在430～815℃區(qū)域附近停留會(huì)發(fā)生敏化，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。連多硫酸的腐蝕開裂往往與奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕密切相關(guān)，這種腐蝕首先是引起連多硫酸晶間腐蝕，接著引起連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂。

由于在高溫時(shí)大量的C作為Cr23C6在晶界析出，形成連續(xù)的貧Cr區(qū)，導(dǎo)致沿晶敏感性增大，使得熔合線附近組織的晶界較脆弱，容易被腐蝕。

(4)殘余應(yīng)力的存在給應(yīng)力腐蝕開裂提供了很好的條件。焊縫余高高度不連續(xù)，焊縫余高明顯低的熔合線處存在應(yīng)力集中，應(yīng)力較高，此處已遭受晶間腐蝕，于是裂紋源在此萌生。由于應(yīng)力較大，母材組織不好，裂紋由裂紋源向母材方向脆性斷裂。

另外管道與泵連接，泵對(duì)管道產(chǎn)生了較大的振動(dòng)載荷，在不斷疲勞載荷作用下，加速了應(yīng)力腐蝕開裂進(jìn)程。

3 結(jié)論

蒸汽回流管開裂的主要原因?yàn)?不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)存在高殘余應(yīng)力，其在連多硫酸環(huán)境下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

4 建議

(1)將蒸汽回流管材質(zhì)更換為碳鋼或鉻鉬合金鋼，(如Cr5Mo)，可減少應(yīng)力腐蝕開裂;

(2)控制焊縫成型質(zhì)量，避免焊接缺陷，所有焊縫要焊透，表面要圓滑過渡。

［1］鄒德敬，趙守輝.不銹鋼設(shè)備的連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理與防護(hù)［J］. 遼寧化工，2009，(38):43-45.

［2］劉建忠.不銹鋼管道的應(yīng)力腐蝕開裂及對(duì)策［J］.腐蝕與防護(hù).2002，23(2):76-78.

Analysis of Failure of Steam Return Line for Liquid Sulfur Pump in Sulfur Recovery Unit

Chen Yong
(SINOPEC Tianjin Company，Tianjin 300270)

The steam return line for liquid sulfur pump in the sulfur recovery unit fractured many times.The fractures were located in the welded joints，and the cracks originated from weld and promulgated circumferentially to the base metal of elbow.The length of cracking was as long as half circumference.The fractured elbow of steam return line was analyzed by macro testing，composition analysis，metallographic analysis and energy dispersion spectrum(EDS).The corrosion mechanisms and testing results were studied based upon process conditions.It is concluded from analysis that the main culprits of fracture of the steam return line are poor welding quality，un － uniform metallographic structure and unsatisfactory heat treatment，which resulted in high residue stress in welds and stress corrosion cracking(SCC)in polythionic acid environment.It is recommended to use new materials，reduce SSC，control welding quality and eliminate welding defects.

liquid sulfur，stress corrosion cracking，polythionic acid，austenitic steel

TE928

A

1007－015X(2012)01－0055－03

2011－08－ 24;修改稿收到日期:2011－11－29。

陳勇(1982-)，男，2009年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)在中國石油化工股份有限公司天津分公司裝備研究院靜設(shè)備室從事無損檢測、理化檢測及失效分析等工作。E-mail:xywlchy@163.com。

(編輯 寇岱清)