乙烯球罐罐頂管線焊縫法蘭側裂紋失效原因分析

劉志華* 李 昱

（1.上海市寶山區特種設備監督檢驗所 2.上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

0 概況

某公司T-607 乙烯球罐及其管線于2001 年設計完成，2002 年完成現場組裝并投入使用。2012 年8 月，該球罐罐頂引壓閥不銹鋼螺栓更換完成后，在進行球罐氣密性試驗時發現，其頂部DN150 mm 的安全閥進口管線有9 處泄漏現象。隨即對罐頂安全閥放空管線（DN150 mm） 的13 道 焊 縫（W1～W9，W14～W17）和氣相平衡管線（DN80 mm）的4 道焊縫（W10～W13）進行滲透檢測，對其中3 道DN80 mm（W10～W12）和2 道DN150 mm（W4，W9）焊縫又進行了射線檢測，最終確認2 片PN5.0 DN150 mm（W1，W6）和5 片PN4.0 DN150 mm（W2，W3，W5，W7，W8）焊縫對接法蘭側存在沿焊縫方向分布的長短不一的裂紋，如圖1 所示。

該T-607 球罐的設計操作參數如下：設計壓力為2.16 MPa，工作壓力為1.71～1.95 MPa，設計溫度為-35 ℃，工作溫度為-32 ℃。

圖1 管道現場具體部位示意圖

安全閥進口管線基本參數如下：管道編號為F-701-150/200，法蘭規格為2 片HG-20615 WN PN5.0 DN150 mm，5 片HG-20592 WNPN4.0 DN150 mm，管道規格為 168 mm×54 mm，法蘭材料為304 不銹鋼,管道材料為0Cr18Ni9。

為了了解該放空管安全閥焊縫法蘭側裂紋產生原因，防止類似情況再次發生，現場進行取樣后需進行進一步分析。

1 管線、焊縫及法蘭材料的化學成分分析

為了驗證現場所用實際材料是否與原設計相符，材料化學成分是否符合相關標準范圍要求[1]，對三個部位（W9 無裂紋，W1，W8）的管線、焊縫及法蘭材料都進行了化學成分分析，測試結果可見表1。

304 不銹鋼的含碳量應小于0.08%，而測試結果中法蘭材料的碳含量高達0.12%～0.139%，超標嚴重。

焊縫及管線材料的化學成分均符合相關標準要求，其中焊縫材料的碳含量均低于0.08%，管線材料的碳含量均低于0.07%。

通過對比其他化學成分分析結果可以看到，法蘭材料中的硫、磷含量均高于焊縫及管線材料，而鉻、鎳含量均低于焊縫及管線材料。由此可見，無論是目前已發現裂紋的法蘭，還是暫未發現裂紋的法蘭，其所用材料的化學成分均不合格，皆未達到304 不銹鋼材料的標準要求。

2 焊縫法蘭側裂紋的宏觀形貌分析

本次取樣的法蘭及管道樣品如圖2，圖3 所示。從圖2，圖3 中可以看出，裂紋都發生在焊縫熱影響區靠近法蘭側的母材上，裂紋呈單條型沿圓周方向擴展。裂紋周圍及附近部位無明顯的外表面腐蝕和機械擦傷痕跡，焊縫及管子側母材上未發現裂紋性缺陷。最長的裂紋位于W1 部位，裂紋總長約80 mm。

圖2 W1法蘭及管子宏觀形貌照片

表1 管線、焊縫及法蘭材料化學成分實測值（質量分數） %

圖3 W8法蘭及管子宏觀形貌照片

綜上所述，W1，W8 裂紋發生部位具有相同性，即都在焊縫熱影響區法蘭側母材上。因此有必要對該處材料的金相組織及其裂紋擴展途徑、特征進行進一步分析。

3 焊縫法蘭側與焊縫管子側材料金相組織對比分析

對W1，W8，W9（無裂紋）焊縫兩側材料金相組織進行對比分析，具體金相照片可見圖4～圖6。

圖4 為W1 焊縫兩側材料金相組織照片，從圖4中可以看到，管道的金相組織為奧氏體+孿晶，呈帶狀分布，這是因管道扎制過程造成的，組織均勻，晶界和晶格內基本上沒有析出物。

法蘭側材料金相組織為奧氏體，晶粒粗大，晶界上分布大量碳化物，呈鏈狀分布，晶格內也有碳化物析出。由于其為鍛件制造，因此并未出現帶狀組織。

圖5 為法蘭側焊縫熱影響區金相組織照片，從圖5 中可以看出，其外表面具有大量沿晶裂紋。晶界碳化物呈鏈狀分布，晶格內彌散分布顆粒狀碳化物。

圖6 為焊縫法蘭側裂紋總形貌照片，從圖6 中可以看出，裂紋自外壁擴展向內壁發展，其擴展途徑為沿晶裂紋。

綜上所述，相對于焊縫熱影響區法蘭側的金相組織而言，其管道側的金相組織晶粒度更粗大且不均勻，同時晶界上析出大量碳化物，呈鏈狀分布，晶內彌散分布碳化物，這些特征大大降低了材料抗晶間腐蝕的性能，引起外壁晶間腐蝕裂紋向內壁擴展。從裂紋形貌特征分析，裂紋都是沿晶擴展的。而管道側的金相組織正常，晶界和晶內沒有析出物產生，因此具有較強的抗晶間腐蝕能力。

圖4 W1焊縫兩側材料金相組織照片

圖5 W1焊縫法蘭側材料金相組織照片

圖6 W1焊縫法蘭側裂紋沿厚度方向擴展形貌

4 W1焊縫裂紋斷口微觀形貌分析與晶界組織對比微觀形貌分析

圖7 為裂紋打開后的斷口形貌照片，從圖7 中可以清楚地看到斷口呈脆性沿晶斷裂，晶粒呈現出“冰糖狀”特征，晶界上存在腐蝕產物。

圖7 裂紋斷口微觀形貌照片

圖8 為內壁區域人為打開后的斷口形貌，從圖8中可以看到，斷口形貌并沒有圖7 所示的沿晶斷口。而從圖8 中可以看出，該區域為淺韌窩狀韌性斷裂。

圖9 為焊縫管道側金相組織晶界形狀，從圖9 中可以看出晶界上并沒有析出碳化物，晶界較為清晰。

圖10 為焊縫法蘭側金相組織晶界形狀，從圖10中可以看出晶界上析出大量碳化物，呈鏈狀分布，大部分碳化物經侵蝕后已脫落。

根據上述分析以及裂紋形貌特征可以確認，造成本次焊縫法蘭側裂紋系晶間型應力腐蝕裂紋。

圖8 內壁區域人為打開后的裂紋斷口微觀形貌照片

圖9 裂紋斷口、管道側組織微觀形貌

圖10 焊縫法蘭側熱影響區組織微觀形貌

5 W1焊縫裂紋斷口腐蝕產物分析

為了了解晶間型應力腐蝕裂紋產生的原因，對斷口腐蝕產物進行了能譜分析，分析結果可見圖11。

圖11 裂紋斷口腐蝕產物能譜分析

從圖11 可知，腐蝕產物成分主要為硫和氯兩種元素，其中硫質量分數高達2.72%，氯質量分數較小，為1.5%。根據裂紋沿晶擴展可以得知，裂紋產生的主要因素是硫化物引起的晶界型應力腐蝕，氯化物則加速了裂紋擴展。由此判斷，乙烯球罐區域的大氣環境中存在較多濕的硫化物，這些硫化物長期吸附在運行的設備和管道外表面，最終導致其發生晶界型應力腐蝕開裂。法蘭焊縫殘余應力是造成本次焊縫熱影響區法蘭側開裂的主要原因。

圖12～圖15 分別是法蘭側和管道側晶界和晶格內能譜分析情況（Wt 表示質量分數，At 表示物質的量分數），從中可以看出法蘭側晶界上碳元素含量明顯高于管道晶界的碳含量。

圖12 管子材料晶界元素能譜分析

6 結論

（1）根據放空管、焊縫及法蘭側材料化學成分分析測定，管道及焊縫中的化學成分符合相關材料標準規定；法蘭材料的含碳量超標，不符合標準要求，其含硫量、含磷量圖高，含鉻量、含鎳量較低。

圖13 管子材料晶界元素能譜分析

圖14 法蘭材料晶界元素能譜分析

圖15 法蘭材料晶界元素能譜分析

（2）本次焊縫熱影響區法蘭側裂紋為晶間型應力腐蝕裂紋，裂紋擴展的主要因素是大氣環境中含有較多的硫和氯。法蘭裂紋擴展的內在因素主要是法蘭材料晶界上析出了大量的碳化物，使材料晶間抗腐蝕性能大大下降。引起法蘭裂紋擴展的應力因素主要是焊縫處的焊接殘余應力。

（3）建議更換同一時間段內的同一批法蘭元件。焊接時應采用小電流焊接，同時元件入庫前要進行金相組織測定，以免晶界上存在大量鏈狀碳化物導致其抗晶界腐蝕性能下降。