奧氏體不銹鋼制換熱器管箱封頭開裂原因分析

摘要：某煉化企業(yè)剛剛投用的換熱器就發(fā)生管箱封頭開裂泄漏，通過(guò)滲透檢測(cè)、金相檢驗(yàn)、殘余應(yīng)力測(cè)試、斷口形貌分析、能譜分析等方法確定開裂原因?yàn)閵W氏體不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。

關(guān)鍵詞：換熱器;不銹鋼管箱封頭;應(yīng)力腐蝕開裂

中圖分類號(hào)：TB31 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

氯離子應(yīng)力腐蝕是煉油煉化行業(yè)奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備的主要損傷模式，本文對(duì)某煉化企業(yè)剛剛投用就發(fā)生泄漏的奧氏體不銹鋼換熱器管箱封頭進(jìn)行分析，確定氯離子應(yīng)力腐蝕開裂為泄漏的原因，并提出了避免此類設(shè)備部件發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的措施，尤其是在奧氏體不銹鋼封頭制造過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)控提出重要建議。

1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)情況

1.1設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

1.2現(xiàn)場(chǎng)情況

2020年9月某煉化企業(yè)裂解裝置剛剛投用的換熱器管箱封頭發(fā)生泄漏，現(xiàn)場(chǎng)共發(fā)現(xiàn)11處泄漏，漏點(diǎn)均位于管箱封頭與管箱筒體相連焊縫附近，后經(jīng)緊急停機(jī)，拆卸泄漏的換熱器管箱，并對(duì)其進(jìn)行內(nèi)表面滲透檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管箱封頭直邊段內(nèi)壁存有大量垂于管箱筒體與封頭相連焊縫的縱向裂紋，見圖1。

2 分析過(guò)程及結(jié)果

2.1硬度測(cè)量

對(duì)封頭進(jìn)行全面硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，封頭直邊段的硬度均在300HB以上，封頭頂部硬度為210～246HB均已超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的上限要求值201HB。

2.2殘余應(yīng)力分析

對(duì)封頭內(nèi)壁直邊段用小孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，經(jīng)測(cè)試封頭直邊段殘余應(yīng)力水平較高，尤其是靠近裂紋附近最高處殘余應(yīng)力高達(dá)639.5MPa。

2.3金相檢驗(yàn)

經(jīng)檢驗(yàn)，封頭的直邊段不同程度出現(xiàn)變形誘導(dǎo)馬氏體組織，見圖2，裂紋金相顯示裂紋是由內(nèi)壁啟裂向外壁擴(kuò)展，啟裂部位位于封頭側(cè)焊縫熱影響區(qū)上，裂紋也為沿晶擴(kuò)展，呈樹枝狀，具有較典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征，見圖3.

2.4斷口微觀形貌及能譜分析

為排除泄漏部位介質(zhì)沖刷對(duì)斷口形貌的影響，從未裂紋未完全貫穿部位取樣。沿裂紋面人工打開，在掃描電鏡觀察下，斷口表面存在腐蝕產(chǎn)物，啟裂部位主要位于焊縫熱影響區(qū)，基本為沿晶開裂，而裂紋擴(kuò)展部位也以沿晶開裂為主。用X射線能譜儀對(duì)斷口表面進(jìn)行微區(qū)成分分析。呈鐵銹紅的區(qū)域含有較高Cl元素，見圖4，具備奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的介質(zhì)條件。

3 開裂原因綜合分析

封頭直邊段尤其是裂紋附近部位殘余應(yīng)力水平均較高，硬度檢測(cè)封頭直邊段硬度均達(dá)到300HB以上，嚴(yán)重超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)允許值;金相組織中出現(xiàn)變形誘導(dǎo)馬氏體，上述檢測(cè)結(jié)果皆為典型的加工硬化特征，表明封頭直邊段受加工硬化影響，材料塑性和韌性遠(yuǎn)低于S30408奧氏體不銹鋼正常狀態(tài)，產(chǎn)生嚴(yán)重的材質(zhì)脆化現(xiàn)象，為發(fā)生應(yīng)力腐蝕提供高應(yīng)力環(huán)境。

斷口分析結(jié)果表明，裂紋斷口上存在裂紋緩慢擴(kuò)展形成的陳舊性斷面區(qū)，即設(shè)備投用前就已存在的裂紋。脆性快速擴(kuò)展形成的較新鮮斷面區(qū)，即投用后在已有裂紋尖端發(fā)生脆性快速擴(kuò)展形成的裂紋。陳舊性斷面區(qū)均位于內(nèi)壁焊縫封頭側(cè)熱影響區(qū)上，且由內(nèi)壁焊縫封頭側(cè)熱影響區(qū)啟裂。能譜分析結(jié)果表明斷口腐蝕產(chǎn)物具有引發(fā)奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的Cl元素，考慮該換熱器工況介質(zhì)無(wú)并CL元素，可判斷CL素可能來(lái)源于制造過(guò)程中的水壓試驗(yàn)或者在設(shè)備運(yùn)輸或長(zhǎng)期放置現(xiàn)場(chǎng)（設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)靠近海邊）表面濃縮而來(lái)。

4 結(jié)論與建議

綜上分析：1.由于封頭直邊段在制造成型過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的材質(zhì)脆化現(xiàn)象，殘余應(yīng)力過(guò)高，導(dǎo)致設(shè)備在水壓試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力集中處可能會(huì)受損甚至產(chǎn)生微小裂紋;2.設(shè)備長(zhǎng)期在海邊放置過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生Cl-應(yīng)力腐蝕開裂;3.設(shè)備投入運(yùn)行后，由于封頭直邊段部位韌性儲(chǔ)備不足，在殘余應(yīng)力和工作載荷組合應(yīng)力作用下陳舊性裂紋發(fā)生脆性快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致裂紋穿透而泄漏。

通過(guò)對(duì)該設(shè)備出廠技術(shù)資料查閱，該換熱器制造廠家所用管箱封頭為外購(gòu)件，出廠技術(shù)資料顯示封頭供貨狀態(tài)為固溶處理+酸洗鈍化，但通過(guò)對(duì)封頭的各項(xiàng)理化檢驗(yàn)可以得出該封頭制造廠家對(duì)封頭的制造質(zhì)量流程把控不嚴(yán)，尤其是固溶處理未達(dá)到應(yīng)有的效果，且封頭固溶處理后也未進(jìn)行硬度測(cè)定。換熱器制造廠家對(duì)外購(gòu)件質(zhì)量檢查也未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)封頭存在嚴(yán)重加工硬化。建議特種設(shè)備承壓制造廠家加強(qiáng)奧氏體不銹鋼類材料驗(yàn)收，封頭壓制嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行，對(duì)成型后封頭硬度指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，需要固溶處理的嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行處理。在不銹鋼類材料承壓設(shè)備水壓試壓過(guò)程中，須嚴(yán)格控制試驗(yàn)介質(zhì)的CL離子含量，在設(shè)備的儲(chǔ)藏運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)做好充氮保護(hù)，避免外部環(huán)境引起CL離子表面聚集濃縮。

參考文獻(xiàn)

[1]承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別 ?GB/T 30579-2014

作者簡(jiǎn)介：王世成（1981年生），男，廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院湛江檢測(cè)院，工程師職稱，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)工作