單塔汽提裝置汽提塔封頭開裂原因分析

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(中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司，新疆 獨山子 833699)

某石化分公司單塔汽提裝置汽提塔檢驗時，發(fā)現(xiàn)其上封頭外壁與筒體焊接的焊縫附近出現(xiàn)多處裂紋。該塔2003年投用，筒體及封頭材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，上封頭及筒體公稱直徑為DN600，設(shè)計壓力為0.78 MPa，設(shè)計溫度為300 ℃；塔內(nèi)介質(zhì)為含鹽污水、H2S和NH3。為了找出裂紋產(chǎn)生的原因，對該封頭取樣進行了檢測分析。

1 檢測分析

1.1 宏觀檢查

1.1.1 封頭外表面

封頭外表面裂紋存在于直邊段，位于焊接熱影響區(qū)，距焊縫約5 mm。裂紋大多垂直于焊縫呈梳狀，在垂直于焊縫的裂紋之間也有少量裂紋與焊縫平行(見圖1)。裂紋僅出現(xiàn)在熱影響區(qū)，焊縫及筒體其他部位未發(fā)現(xiàn)裂紋。對裂紋區(qū)域和附近焊縫進行打磨拋光，觀察發(fā)現(xiàn),打磨后的裂紋呈網(wǎng)狀(見圖2)。

圖1 封頭外表面裂紋宏觀形貌

1.1.2 封頭內(nèi)表面

將封頭與筒體切割分離，對封頭內(nèi)表面檢查,發(fā)現(xiàn)從焊縫熔合線開始可見大量腐蝕坑點，部分區(qū)域腐蝕坑點已經(jīng)連成線，呈現(xiàn)裂紋形態(tài)(見圖3a)。將內(nèi)表面打磨后進行滲透檢測，在熔合線附近發(fā)現(xiàn)裂紋,見圖3b。

圖2 打磨后封頭外表面裂紋形貌

圖3 封頭內(nèi)表面宏觀形貌

將圖3a中檢驗區(qū)域放大觀察，在焊縫附近有腐蝕坑點，最大蝕坑尺寸為0.25 mm×0.61 mm,該區(qū)域及焊縫附近的焊接熔滴內(nèi)也發(fā)現(xiàn)裂紋。

1.1.3 剖開觀察

使用線切割將圖2中裂紋從外向內(nèi)每隔3 mm剖開，觀察裂紋走向,見圖4。從圖4可以看出，宏觀裂紋呈直線狀，外表面裂紋向內(nèi)逐漸減少，表明裂紋從外表面向內(nèi)擴展。

圖4 裂紋剖開形貌

1.2 封頭成分分析

在封頭上取樣制成光譜分析樣品，按照GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》要求，使用德國SPECTRO Lab. M11型固定式直讀光譜儀對樣品進行光譜分析，測得各元素含量,見表1。

表1 封頭成分 w，%

由表1可知，所檢樣品Ti質(zhì)量分數(shù)少于0.28%，僅有0.004%，不能滿足相關(guān)標準對1Cr18Ni9Ti成分的要求。

1.3 硬度試驗

使用430SVD數(shù)顯維氏硬度計,按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對封頭進行硬度試驗。試驗選擇在焊縫及母材縱截面、外表面進行，結(jié)果見表2。

表2 硬度檢測結(jié)果 HV

由表2可知，無論外表面還是縱截面，封頭焊縫附近硬度最低，遠離焊縫的母材硬度在250 HV左右，不符合國家相關(guān)標準對1Cr18Ni9Ti的硬度要求。

1.4 金相檢驗

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，選取宏觀檢查中的打磨區(qū)域和內(nèi)表面檢查區(qū)域作為試樣，經(jīng)精磨、拋光及腐蝕后,使用金相顯微鏡進行金相觀察。

1.4.1 外表面金相組織

外表面金相組織為單相奧氏體+孿晶。對封頭上典型裂紋觀察，可見裂紋呈網(wǎng)狀，沿晶界開裂，少量晶粒已經(jīng)脫落(見圖5)。

圖5 外表面裂紋區(qū)金相組織

1.4.2 內(nèi)表面金相組織

內(nèi)表面金相組織為單相奧氏體+孿晶，宏觀上呈直線狀裂紋沿晶界擴展，少量晶粒已經(jīng)脫落(見圖6)。

圖6 內(nèi)表面裂紋區(qū)金相組織

1.4.3 縱截面金相組織

對樣品縱截面進行金相檢驗，其金相組織為單相奧氏體+孿晶，宏觀上呈直線的裂紋沿晶界擴展，內(nèi)外表面均有少量晶粒脫落(見圖7)。內(nèi)表面凹坑底部裂紋沿晶界向封頭內(nèi)部擴展(見圖7a)，外表面裂紋在沿表面擴展的同時也向封頭內(nèi)部擴展(見圖7b)，該區(qū)無裂紋處組織晶界有小顆粒的碳化物分布(見圖7c)。

圖7 縱截面裂紋區(qū)金相組織

1.4.4 橫截面裂紋區(qū)金相組織

將裂紋截斷取其截面進行金相檢驗。裂紋從外向內(nèi)全拼接后的形貌見圖8。可以看出，外表面裂紋較寬，向內(nèi)延伸過程逐漸變細，說明裂紋從外表面向內(nèi)擴展。

圖8 橫截面裂紋區(qū)金相組織

1.4.5 封頭未開裂區(qū)金相組織

觀察未開裂區(qū)金相組織，封頭金相組織為單相奧氏體+孿晶，仍保持加工方向變形的長條狀分布的α鐵素體;沿奧氏體晶界分布著大量的(Cr·Fe)23C6碳化物(見圖9)。

圖9 母材金相組織

1.4.6 焊縫區(qū)金相組織

取焊縫區(qū)樣品，觀察焊縫區(qū)組織形貌，焊縫區(qū)為奧氏體+排列整齊的樹枝狀分布的δ鐵素體，呈柱狀晶,見圖10。

圖10 焊縫區(qū)金相組織

1.5 掃描電鏡分析

用掃描電鏡放大觀察封頭內(nèi)表面焊縫熱影響區(qū)試樣，發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面存在大量腐蝕坑，表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，也有大量二次裂紋存在(見圖11)。

圖11 腐蝕坑及其底部形貌

從圖11可以看出，腐蝕坑底部覆蓋的腐蝕產(chǎn)物呈泥團狀，部分晶粒已經(jīng)脫落。

將封頭上的裂紋打開，使用掃描電鏡對斷口進行分析。裂紋斷口呈冰糖狀，為典型的沿晶裂紋，見圖12。從圖12可以看出，主裂紋附近存在二次裂紋，晶粒有脫落現(xiàn)象，靠近裂紋的晶粒有少量的撕裂嶺存在(見圖12b)，在裂紋內(nèi)部可見到近似解理斷裂的形貌(見圖12c)。

圖12 斷口形貌

1.6 能譜分析

1.6.1 封頭內(nèi)表面分析

對封頭內(nèi)表面覆蓋腐蝕產(chǎn)物區(qū)進行能譜分析，結(jié)果見表3。從表3可以看出，該區(qū)的有害元素主要有S和Cl，其中S來源于內(nèi)部介質(zhì)， Cl是造成奧氏體不銹鋼產(chǎn)生孔蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的元素。

1.6.2 裂紋斷口分析

將斷口清洗后對斷口表面、裂紋源區(qū)和斷口內(nèi)晶粒表面進行能譜分析，結(jié)果見表4。從表4可以看出，斷口表面同樣有Cl和S元素存在。

表3 封頭內(nèi)表面能譜分析

2 裂紋成因分析

2.1 裂紋情況

從上述檢測分析可以看出，封頭外表面裂紋位于焊縫熱影響區(qū)附近；封頭內(nèi)表面有肉眼可見凹坑，部分凹坑連接在一起，也有裂紋存在。分層剖開的裂紋和裂紋橫截面觀察分析，均可確認封頭裂紋由外表面產(chǎn)生，由外向內(nèi)擴展。

2.2 成分因素

檢測封頭化學成分，Ti含量不足，不能實現(xiàn)固定不銹鋼中C元素的作用，而母材硬度偏高，易導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。

2.3 組織因素

金相分析發(fā)現(xiàn)，在熱影響區(qū)晶界分布著大量(Cr·Fe)23C6化合物，表明奧氏體不銹鋼材料在焊接熱影響下發(fā)生了敏化。敏化導(dǎo)致不銹鋼耐腐蝕能力下降，而裂紋沿敏化后的晶界開裂所需能量最小。

金相和斷口掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，封頭內(nèi)、外部裂紋均沿晶界擴展，并且裂紋都在焊縫熱影響區(qū)附近，表明開裂受焊接熱影響并與焊接過程有關(guān)。

2.4 環(huán)境介質(zhì)因素

能譜分析表明，斷口中有Cl存在。Cl是奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的敏感元素，奧氏體不銹鋼在有Cl和水存在的環(huán)境中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

對汽提塔保溫材料進行檢測，發(fā)現(xiàn)Cl-質(zhì)量分數(shù)達到28 μg/g。經(jīng)多年運行，保溫材料中的Cl-很容易在保溫層下濃縮，當有雨水從外保護層破損處進入后，就會形成Cl-的腐蝕環(huán)境。

2.5 應(yīng)力因素

由于封頭的冷加工變形量很大，使得封頭加工變形后殘余應(yīng)力較大，且該區(qū)域還承受內(nèi)壓產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力和焊接熱應(yīng)力，所以其綜合應(yīng)力最大。

2.6 開裂原因

在封頭外部保溫層含Cl-和水的腐蝕環(huán)境中，封頭焊縫區(qū)綜合應(yīng)力和敏感介質(zhì)共同作用，使得敏化的奧氏體不銹鋼發(fā)生晶界開裂，最終導(dǎo)致封頭在該區(qū)域發(fā)生了沿晶型應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論及建議

在含Cl-和水的腐蝕環(huán)境中，封頭焊縫區(qū)綜合應(yīng)力和敏感介質(zhì)共同作用，使得敏化的奧氏體不銹鋼發(fā)生晶界開裂，最終導(dǎo)致封頭在與筒體焊接的焊縫熱影響區(qū)發(fā)生了沿晶型應(yīng)力腐蝕開裂。為了避免類似情況發(fā)生，提出如下建議：

(1)容器制作前要對所使用的材料進行化學成分、力學性能復(fù)查，保證使用的材料符合標準要求。

(2)嚴格按照審批的焊接工藝進行容器焊接、檢驗。

(3)奧氏體不銹鋼容器保溫應(yīng)選用疏水性保溫材料，嚴禁使用親水性保溫材料，且保溫材料中Cl-質(zhì)量分數(shù)要控制在10 μg/g以下。

(4)規(guī)范容器保溫施工質(zhì)量。外保護層破損要及時維修更換，以防雨水進入保溫材料，形成敏感腐蝕環(huán)境。