某變換工序中不銹鋼管線的裂紋分析及探討

吳 菁

中國五環工程有限公司 武漢 430223

某甲醇裝置采用水煤漿為原料的制氣工藝，在投入運行5個月后，一氧化碳變換工序中1#變換爐入口管線發生介質泄漏，管線材料為不銹鋼(304)，拆卸后檢查發現彎頭、三通等焊縫都出現不同程度的裂紋。管線內介質為工藝合成氣，其主要成分為氫氣、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳等；設計溫度400℃，設計壓力6.6MPa。同樣，另一甲醇項目，干粉煤制氣的變換工序也采用了不銹鋼(304)材料，運行兩年后在部分管線上也出現了裂紋。為弄清裂紋產生的原因，采用如下步驟和方法進行分析及探討。

1 現場取樣及記錄

1.1 管試件樣本

以抽取的不銹鋼管試件發現的狀況來分類： 第一類：沿縱向(軸向)焊縫熱影響區開裂裂紋，見圖1；第二類：沿環向焊縫的軸向開裂裂紋，見圖2； 第三類：沿環向焊縫環向開裂裂紋，見圖3；第四類：縱向開裂裂紋，見圖4。

圖1 沿縱向(軸向)焊縫熱影響區開裂裂紋

1.2 樣本現場硬度檢測

由于大多數裂紋出現在焊縫處，對管件的環焊縫和直焊縫都進行現場抽樣硬度檢測，檢測結果為環焊縫的硬度均大于260HV。

圖2 沿環向焊縫的軸向開裂裂紋

圖3 沿環向焊縫環向開裂裂紋

圖4 縱向開裂裂紋

1.3現場水質取樣及分析

對變換工序的水取樣分析，結果見表1。

表1 水質分析報告單

2 裂紋產生原因分析探討

2.1 核查樣本的原材料

(1) 從產品質量保證書中查找到相應管道、彎頭及三通的材料證明文件，其化學組分均能滿足ASTM*的標準數據要求，原材料組成成分見表2。

(2)管道及管件的材料強度都能滿足抗拉強

表2 樣本原材料組成成分 (%)

度515MPa和屈服強度205MPa的要求，并且焊接管及管件都經過大于1040℃的熱處理，由此可判斷原材料是合格產品。

2.2 裂紋樣本的檢查與理化分析

2.2.1 微觀形貌

(1) 第一類：軸向焊縫熱影響區多層面、松散狀發展裂紋的微觀形貌，見圖5。經顯微放大后可見：裂紋為典型的沿晶開裂，部分晶粒似乎即將脫落，是該區域材料敏化的必然結果。這種因敏化而沿晶發展的裂紋，在外應力的作用下必然以多層面、松散狀的形式發展。

圖5 軸向焊縫熱影響區多層面、松散狀發展裂紋的微觀形貌

(2)第二類：環向焊縫環向開裂的裂紋(環焊縫焊根部裂紋)的微觀形貌，見圖6。從微觀形貌看：裂紋由內壁焊根部啟裂，緊貼熔合線向深處發展，其中一側發現有兩條平行發展的裂紋；裂紋分叉特征不顯著。將裂紋進一步放大可見：面對工藝介質的管子內壁面出現大量微細啟裂裂紋。這種開裂現象多與腐蝕疲勞有關，其中有些裂紋還是沿晶界啟裂的。

圖6環向焊縫環向開裂的裂紋(環焊縫焊根部裂紋)的微觀形貌

(3)第三類：環向焊縫軸向分布的單枝狀開裂裂紋的微觀形貌，見圖7。從圖7(a)中顯示材料沿等軸晶粒邊界析出了非連續碳化物，呈部分敏化狀態, 目前，敏化程度尚不至于直接發生晶間腐蝕破壞，但在管件內壁發現了既有穿晶啟裂的裂紋，也有沿晶啟裂的裂紋；圖7(b)中顯示熱影響區域材料沿著等軸晶粒邊界析出非連續碳化物，出現部分敏化狀態；圖7(c)中顯示厚壁管件具有帶狀顯微組織的厚板，經大電流焊接熱循環后，在半熔化粗晶區，沿原帶狀夾渣物優先腐蝕開裂。

(4)第四類 縱向開裂裂紋，管件的裂紋與焊縫無關。

2.2.2 對斷口的腐蝕產物進行能譜分析

(1)對軸向焊縫軸向開裂的腐蝕產物進行X光(X-RAY) 能譜分析的結果表明：腐蝕產物中分析出來的化學元素均與工藝介質有關，在發現硫化物的同時也發現氯離子。該處裂紋呈現典型的沿晶開裂特征。事實上，敏化的不銹鋼材料無需特殊有害介質，只要含水、有應力，就有腐蝕開裂的可能。

圖7環向焊縫軸向分布的單枝狀開裂裂紋的微觀形貌

(2)對環向焊縫軸向裂紋內腐蝕產物進行X光(X-RAY) 能譜分析的結果表明：腐蝕產物中分析出來的化學元素均與工藝介質有關，發現硫化物的同時也發現少量氯離子。此處的裂紋沒有應力腐蝕裂紋的分叉特征。

(3)對環向焊縫環向裂紋腐蝕產物進行X光(X-RAY)能譜分析的結果表明：該處腐蝕產物中除含有與工藝介質有關的元素外，并有少量氯離子。此處的裂紋穿晶，有分叉。因為敏化的不銹鋼遇硫化物出現的裂紋是沿晶間型，氯離子是這種應力開裂的加速劑。

3 避免產生裂紋的措施

3.1 焊接工藝的選擇及焊接過程控制

3.1.1 正確選用焊接工藝

查證取樣管線現場焊接的施工情況記錄表明：該管道施工沒有采用氬弧焊打底的焊接工藝，從而導致材料的敏化和殘余應力等，這是造成環焊縫開裂的主要因素。

3.1.2 嚴格控制焊接質量

(1)由于該管道口徑較大，無論是管道還是管件都是板材焊接成型。在焊接過程中，采用了大電流的焊接導致材料的敏化，敏化的奧氏體不銹鋼裂紋都有沿晶型存在；而且焊接的部位存在焊接的殘余應力從而造成管線開裂。建議不銹鋼管道和管件在出廠前應做固溶和穩定化處理。

(2)在管道焊接時要做好焊前和焊后的相關處理。在等離子切割后，將硬化層打磨干凈，做滲透檢查和硬度檢驗，打磨坡口檢查合格后才能進行焊接；坡口不能有坑或打磨不到的地方，組對的間隙應符合規范要求，第一遍氬弧焊打底、慢焊、成型要好，熱區急速冷卻可噴水霧、不能含氯離子，由于焊后超聲波檢查對不銹鋼(304)不敏感，檢查結果無效，建議應做100%射線探傷，而且要按相關規定做穩定化處理。

(3)強化對氯離子的控制。由于介質管線自身的特殊性，氯離子的富集會對不銹鋼(304)造成應力腐蝕開裂，因為奧氏體不銹鋼對氯離子有很強的穿晶破裂敏感性。

3.2 正確選擇開車方式，減少開停車頻率

3.2.1 開車方式

經過分析，在開車時溫度逐漸升高過程中，會大量生成工藝冷凝液，隨著溫度的升高腐蝕開裂加劇；為避免應力腐蝕開裂的產生，應先將系統升溫后再升壓，這樣工藝物料經過管道時，管壁的溫度高于露點溫度，可以避免硫、鋁等有害物質的露點腐蝕。

3.2.2 控制開車/停車的頻率

由于高溫硫化氫對金屬的腐蝕會產生硫化亞鐵, 一旦停車，硫化亞鐵會與空氣中的氧氣和水接觸并反應生成連多硫酸，連多硫酸對奧氏體不銹鋼的腐蝕表現為應力腐蝕開裂。在工程上采取的預防措施建議：停車時，立即對相關的設備和管道進行充氮保護。

3.3 設計選材時應綜合考慮其他相關因素

3.3.1 材料的硬度控制

硫化氫對不銹鋼產生的應力腐蝕開裂現象，主要發生在硬度較大的地方。目前美國石油協會編制了一套NACE*標準，防止硫化氫的應力腐蝕開裂。該標準在工程上給予了嚴格的材料使用標準，不銹鋼材料的硬度及焊縫的硬度都要控制在其標準范圍內。現場取樣檢測的焊縫硬度均大于260HV，已經超出了NACE*標準中的245HV，這就增加了開裂的幾率。

3.3.2 材料綜合性能的比選

由于材料本體、焊縫和焊縫熱影響區均有裂紋，可針對管線介質的溫度，適當地選用超低碳或者穩定型的奧氏體不銹鋼，既能有效的控制材料的硬度，也能提高材料的抗腐蝕性能。

4 結語

在選用不銹鋼材質時，要注意工藝操作、焊接工藝和硬度處理等因素，力求避免使用過程中產生應力腐蝕開裂及其相關事件。

參 考 文 獻

1 ASTM：美國材料實驗協會標準American Society of Testing Materials.

2 NACE：美國防腐學會標準National Association for Catering and Events.