厚壁型不銹鋼管道應力腐蝕開裂及對策

鮑世平，李 明，劉京東

(江蘇索普(集團)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006)

江蘇索普(集團)有限公司為配套600 kt/a醋酸生產(chǎn)裝置，于2009年10月投資建成了煤制CO的造氣工藝并聯(lián)產(chǎn)550 kt/a的甲醇項目，實現(xiàn)了生產(chǎn)能力和工藝技術(shù)的新跨越。但新裝置開車過程中遇到了很多問題，直到第二年8月裝置才穩(wěn)定下來。據(jù)統(tǒng)計，在近一年的開車調(diào)試中裝置開停車近20次，除供電、供氣問題之外，另一個主要問題是CO變換工段在開車過程中管道彎頭、三通等處頻繁出現(xiàn)泄漏，特別是一段從換熱器E15101到變換爐R15101的一根近40 m長的不銹鋼管道(PG-15108)頻繁泄漏。

1 PG-15108管線的概況

PG-15108管線為 φ609.6 mm×24 mm的SUS304有縫鋼管，彎頭亦為有縫彎頭，材質(zhì)成分分析結(jié)果見表1。

表1 PG-15108管道材質(zhì)化學成分分析結(jié)果Table1 Analysis results of chemical composition of PG-15108 piping material w，%

對比國標，除Cr含量略少外其它全都在正常范圍。另外，供貨要求管道成型后都必須固溶處理。經(jīng)測試表面硬度(HB)不超過187。

該管線是用來輸送變換前的工藝氣體，工藝氣體在E15101換熱器中通過變換過的高溫氣體加熱，然后通過PG-15108輸送到R15101變換爐進行催化變換。頻繁的泄漏主要發(fā)生在該管線上的幾個彎頭、三通及管道焊縫上。PG-15108管道內(nèi)工藝氣體溫度、壓力及成分見表2。

由于生產(chǎn)裝置操作等方面的不穩(wěn)定導致管道內(nèi)工藝氣體的溫度起初有較大的波動，最高溫度短暫可達到400℃，甚至500℃。

由于泄漏等各方面原因，裝置開開停停，從開車不到半年時間里陸續(xù)更換了泄漏的彎頭、三通。從更換下的管件宏觀上看是由于304不銹鋼焊縫區(qū)域出現(xiàn)問題(見圖1)，沿管道環(huán)向焊縫切割處的焊縫熔合區(qū)，可見焊縫內(nèi)出現(xiàn)大量的脆性裂紋。裂紋粗大，甚至發(fā)現(xiàn)一只彎頭內(nèi)表面出現(xiàn)長度約60 cm穿透性單枝裂紋(見圖2)。

表2 PG-15108管道內(nèi)工藝氣體成分及輸送參數(shù)Table2 PG-15108 pipeline process medium compositions and corresponding parameters w，%

圖1 沿管道環(huán)向焊縫熔合區(qū)切割后展現(xiàn)的裂紋外觀Fig.1 Crack appearance after cutting along the pipline circumferential weld fusion zone

圖2 彎頭內(nèi)表面的巨型裂紋外觀Fig.2 Giant crack of elbow in the inner surface

2 裂紋的宏觀微觀分析

通過對PG-15108管線拆換下的管件泄漏點進行觀察，宏觀上可將裂紋分為兩類。第一類是沿管件縱向焊縫的熱影響區(qū)、緊靠熔合線開裂的裂紋;第二類是垂直于焊縫的大量平行開裂裂紋(軸向分布裂紋)。為此，選取上述二類裂紋相關(guān)的試樣數(shù)塊進行金相磨片，微觀圖像清楚展現(xiàn)了三類裂紋:

第一類裂紋是沿軸向焊縫熱影響區(qū)開裂的呈多層面、散狀發(fā)展的裂紋(見圖3)。裂紋為典型的沿晶開裂，部分晶粒似乎即將脫落，是材料敏化而沿晶發(fā)展的裂紋。

第二類裂紋是環(huán)向焊縫上開裂的軸向分布的呈單枝狀發(fā)展的裂紋。裂紋區(qū)域的微觀金相組織顯示，在焊縫熱影響區(qū)，出現(xiàn)了沿等軸晶粒邊界析出了非連續(xù)碳化物，呈部分敏化狀態(tài)(見圖4)。同時在管件內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)了既有穿晶腐蝕疲勞啟裂裂紋，也有沿晶腐蝕啟裂裂紋，證明材料的部分敏化與開裂息息相關(guān)，結(jié)果在變動載荷及腐蝕的作用下產(chǎn)生大量的平行裂紋，屬典型的腐蝕疲勞裂紋。

圖3 沿軸向焊縫開裂裂紋的微觀形貌Fig.3 Microstructure picture along the axis of weld cracking

圖4 管件材質(zhì)熱影響區(qū)的微觀形貌Fig.4 Microstructure picture of heat affected zone of pipe material

第三類裂紋是在環(huán)向焊縫的根部啟裂并環(huán)向開裂的裂紋。某焊縫左右兩側(cè)的微觀截圖見圖5。將右側(cè)截圖進一步放大(見圖6)，從形貌看，裂紋由內(nèi)壁焊縫根部啟裂，緊貼熔合線向深處發(fā)展，在粗大裂紋的兩側(cè)(紅色箭頭方向)，出現(xiàn)大量微細啟裂裂紋，其中有些裂紋還是沿晶界啟裂的。

圖5 沿環(huán)焊縫開裂裂紋的微觀形貌Fig.5 Microstructure picture along the circumferential weld cracking

圖6 管件內(nèi)表面材質(zhì)熱影響區(qū)的微觀形貌Fig.6 Microstructure picture of pipe inner surface material of heat affected zone

3 裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的分析

通過對裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物X射線分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的氧和硫元素，并含有少量的氯元素(見圖7)。

4 開裂原因分析

圖7 裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物X射線分析結(jié)果Fig.7 X-ray analysis results of corrosion product inside crack

文獻資料[1]表明，304奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)大約是低碳鋼的1.35倍，在焊接過程中易受熱使結(jié)構(gòu)膨脹，冷卻時又產(chǎn)生較大的收縮變形和應力，巨大的應力易造成奧氏體不銹鋼有在焊接時出現(xiàn)較大熱裂的敏感性，形成初始的微裂紋，同時304奧氏體不銹鋼的導熱系數(shù)約為低碳鋼的1/3，因此焊接區(qū)域的熱量不易向遠離焊縫的金屬傳遞，焊縫熱影響區(qū)域在450～850℃停留較長時間，原過飽和固溶在奧氏體晶粒內(nèi)的碳很快遷移到晶間，在晶粒間出現(xiàn)碳化鉻的析出，并在鄰近晶界處形成貧鉻區(qū)(鉻的遷移速度慢)，即所謂奧氏體不銹鋼的敏化。貧鉻區(qū) Cr質(zhì)量分數(shù)低于11.7%時將難以鈍化，耐蝕性較差，在腐蝕介質(zhì)和應力的聯(lián)合作用下優(yōu)先腐蝕，從而發(fā)生起源于晶界的應力腐蝕開裂(SCC)。焊接后的材料雖可通過1050～1150℃固溶處理解決焊縫敏化問題，以及通過熱處理解決焊縫的焊接殘余應力問題，但這些只能在制造工廠內(nèi)對一些小型構(gòu)件進行處理，而在裝置的安裝現(xiàn)場對管道、管件拼接的焊縫進行固溶處理難度很大。雖可進行一些消除應力的熱處理工作，但是針對SUS304不銹鋼進行熱處理，總有某些區(qū)域溫度剛好落在敏化溫度范圍，所以現(xiàn)場基本不對焊縫進行消除應力的熱處理工作，何況針對這種壁厚達到24 mm厚壁型管材，焊接過程中由于焊道深，必須多層燒焊，焊縫及熱影響區(qū)經(jīng)歷多次的熱沖擊，這種不穩(wěn)定型鋼種在焊縫及熱影響區(qū)勢必會析出晶間碳化物;同時，在焊縫的結(jié)晶后期，奧氏體柱狀晶和樹枝狀晶之間殘存著某些低熔點的液態(tài)共晶或化合物，在焊縫收縮變形造成的拉應力作用下引起晶間開裂。由于熱處理裝備、管理和技術(shù)水平的不一，在焊縫應力的作用下產(chǎn)生初起微裂紋就是在制作工廠也不一定能完全解決。但是經(jīng)過工廠固溶熱處理的管件焊縫，在外觀上裂紋明顯少于現(xiàn)場焊接沒有經(jīng)過熱處理的焊縫裂紋，也就是說在現(xiàn)場焊接的接頭由于不能熱處理，更易開裂失效。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)一個重要現(xiàn)象，PG-15108與管道PG-15109相鄰，二者材質(zhì)及制作要求相同并由同一個供貨商供貨，但PG-15109在使用過程中沒有出現(xiàn)開裂泄漏現(xiàn)象。PG-15109管道與PG-15108輸送的介質(zhì)成分基本相同，不同之處在于PG-15109是用來輸送變換過的工藝氣體。由于通過變換爐變換，氣體中的水分減少了80%以上，但溫度比PG-15108所輸送的變換前氣體溫度高100℃以上。所以，輸送介質(zhì)中水蒸氣、足夠的氧氣、微量Cl－及H2S的存在是PG-15108管道SCC開裂的重要的外部因素。

再次，裝置開車及工藝溫度控制不穩(wěn)定，有時短暫超溫運行，這種由于變動造成的溫差應力是種疲勞應力，對工藝管道彎頭、三通等薄弱區(qū)域影響很大，這些區(qū)域存在大量焊縫，而焊縫本來就存在嚴重的內(nèi)部缺陷，所以，在腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下很快開裂失效。

5 開裂問題的解決方案

由于SUS304奧氏體不銹鋼焊接時出現(xiàn)熱裂的特點，特別是厚壁管焊接過程中存在的實際問題以及輸送介質(zhì)中無法避免水分、氧氣和氯離子，如何選材是首先要考慮的問題，而這一問題，兄弟廠家也曾遇到并得到很好的解決。根據(jù)納爾遜曲線，15CrMo鋼可以用于350℃以下的臨氫環(huán)境，當然更有使用10多年的報道[2]，相比SUS304造價約減少一半。所以，甲醇裝置開車10個月后，停車將PG-15108這條不銹鋼管線徹底更換成15CrMo低合金鋼管道。更換過程中請專業(yè)安裝單位，并采取了嚴格的過程控制，從焊口的預熱到焊接過程的保護以及最后消除應力的熱處理等環(huán)節(jié)嚴格把關(guān)，并100%進行X射線檢測合格。當然，15CrMo屬于低合金耐熱鋼，耐H2S和CO2的高溫均勻腐蝕性能與SUS304奧氏體不銹鋼無法相比，特別在高速介質(zhì)氣體的沖刷條件下，又恰好處于H2S高溫重腐蝕區(qū)域，所以，加強對該管線壁厚監(jiān)測是以后設(shè)備管理的一項重要工作。

6 結(jié)束語

(1)SUS304奧氏體不銹鋼，特別是厚壁型材料在拼焊過程中，極易產(chǎn)生微裂紋及晶間碳化物析出，由于現(xiàn)場不宜消除焊接應力，材料焊接后，焊縫區(qū)域殘存很大的焊接應力，這些都是產(chǎn)生SCC的重要內(nèi)因;

(2)工藝介質(zhì)中含有大量的水蒸氣、足量的氧氣、硫化氫以及微量的Cl－是SUS304不銹鋼在300℃左右產(chǎn)生SCC的重要外因;

(3)生產(chǎn)試車過程中工藝控制的不穩(wěn)定，劇烈的溫度變化產(chǎn)生的疲勞應力是SUS304不銹鋼腐蝕開裂的另一個重要外因;

(4)15CrMo低合金鋼適用于300℃左右的臨氫環(huán)境，對含氧、Cl－的水蒸氣的應力腐蝕不敏感。但在含H2S的高溫氣體沖刷下有較大的均勻腐蝕傾向，生產(chǎn)運用中宜加強監(jiān)控，定期檢測。

[1]中國腐蝕與防護學會主編.不銹鋼[M].北京:化學工業(yè)出版社，1991:144-151.

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