不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐泄漏檢測(cè)分析與建議

符海龍

（南通星球石墨股份有限公司，江蘇 南通 226541）

0 引言

某公司石墨氯化氫合成爐配套設(shè)備—蒸汽閃發(fā)罐開車運(yùn)轉(zhuǎn)后一段時(shí)間出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)拆開保溫層后看到，泄漏點(diǎn)位于該不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐體下封頭直邊部位，其余筒體及上封頭部位未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐與二合一石墨氯化氫合成爐管口連接示意圖如圖1所示。

圖1 蒸汽閃發(fā)罐與二合一石墨氯化氫合成爐管口連接圖

泄漏點(diǎn)描述：點(diǎn)狀、每間隔一段距離出現(xiàn)，整個(gè)下封頭圓周共計(jì)出現(xiàn)20多個(gè)泄漏點(diǎn)。由于該設(shè)備介質(zhì)是0.8MPa的飽和水蒸汽，故泄漏點(diǎn)源源不斷的向外噴出霧狀過熱水。如圖2～圖5所示。

圖2

圖3

圖4

圖5

1 檢測(cè)分析

1.1 不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

該臺(tái)蒸汽閃發(fā)罐由奧氏體不銹鋼材質(zhì)制造，規(guī)格F1600×12mm，材質(zhì)S30408，該設(shè)備設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，工作壓力0.8MPa。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 設(shè)備制造數(shù)據(jù)

1.2.1 封頭

封頭規(guī)格F1600×12mm（δmin=8.7mm）由封頭制造廠冷旋壓成型工藝而成，所屬地特檢院出具監(jiān)檢合格證書。封頭制造廠原材料質(zhì)保書及復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 S30408封頭理化指標(biāo)數(shù)據(jù)

1.2.2 筒體

筒體規(guī)格F1600×2000×12mm，筒體原材料質(zhì)保書及復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 S30408筒體理化指標(biāo)數(shù)據(jù)

按照GB/T 150-2011標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)奧氏體不銹鋼開平板復(fù)驗(yàn)其力學(xué)性能指標(biāo)，所以未對(duì)其原材料進(jìn)行化學(xué)分析復(fù)驗(yàn)。

1.3 壁厚分析

隨機(jī)測(cè)量不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐體上封頭、下封頭和筒體壁厚變化情況，重點(diǎn)對(duì)下封頭泄漏處圓周進(jìn)行壁厚測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

從表4中可以看到，上封頭和筒體部位未有壁厚減薄現(xiàn)象，下封頭直邊段壁厚數(shù)值大小從8.72～2.17mm不等，且無規(guī)律可言，說明下封頭直邊段出現(xiàn)了腐蝕減薄現(xiàn)象，直至泄漏點(diǎn)發(fā)生。下封頭小R部位也存在著明顯的減薄現(xiàn)象。

表4 壁厚測(cè)試數(shù)據(jù)

1.4 硬度分析

隨機(jī)測(cè)量不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐體上封頭、下封頭和筒體板材硬度，重點(diǎn)對(duì)上、下封頭直邊段及小R部位測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 硬度測(cè)試數(shù)據(jù)

從表5中可以看到，筒體部位硬度值復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24511-2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼板和鋼帶》要求：對(duì)于材質(zhì)為S30408經(jīng)固溶處理的奧氏體不銹鋼室溫下的硬度值不大于201HB[1]。按照表5硬度測(cè)試數(shù)據(jù)可知：筒體硬度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，封頭小R部位硬度增高，封頭直邊段硬度達(dá)到最大值，足以說明奧氏體不銹鋼封頭在冷旋壓成型過程中，因金屬塑性變形產(chǎn)生了比較顯著的冷作硬化現(xiàn)象[2]。

1.5 介質(zhì)分析

從圖1可以看到，不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐中的介質(zhì)“飽和水蒸汽”來自于二合一石墨氯化氫合成爐殼體中的“過熱水+濕蒸汽”，所以直接引用《氯化氫合成爐不銹鋼殼體泄漏檢測(cè)分析與建議》文中水溶液介質(zhì)樣品氯離子測(cè)定值來分析，其氯離子含量為10.8ppm，如表6所示。

表6 介質(zhì)水溶液檢測(cè)報(bào)告

1.6 蒸汽閃發(fā)罐工作原理分析

蒸汽閃發(fā)罐中的飽和水蒸汽介質(zhì)，是來自于二合一石墨氯化氫合成爐中的過熱水+濕蒸汽，進(jìn)入蒸汽閃發(fā)罐中部分汽化后，蒸汽從上封頭接管往外輸送，另外一部分過熱水從罐體下半部位接管再輸送到二合一石墨氯化氫合成爐殼體中。所以蒸汽閃發(fā)罐中的液位保持在罐體的一半高度。也即該臺(tái)奧氏體不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐內(nèi)的上半部是蒸汽氣相空間，而下半部是過熱水液相空間。

1.7 封頭成型分析

從封頭成形方式來分析，該罐體上封頭、封頭下系冷旋壓成形，熱處理方式：無。也即封頭旋壓成形后未進(jìn)行固溶處理。符合GB/T 25198-2010《壓力容器封頭》規(guī)定的“除圖樣另有規(guī)定，冷成形的奧氏體不銹鋼半球形、橢圓形、蝶形封頭以及平板形封頭，成型后可不進(jìn)行熱處理[3]?！狈忸^在冷旋壓過程中，封頭的直邊和小R部位的金屬產(chǎn)生不均勻的塑性變形，內(nèi)表面受拉，外表面受壓。無論是拉還是壓，金屬都產(chǎn)生了塑性變形。金屬塑性變形是通過滑移實(shí)現(xiàn)的，晶體滑移產(chǎn)生位錯(cuò)，位錯(cuò)的纏結(jié)使晶粒被拉長(zhǎng)、晶粒破碎和纖維化，使材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力[2]。由于直邊部位冷旋壓成形工藝，促使部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，發(fā)生馬氏體相變，形成板條狀馬氏體。

1.8 罐體制造分析

罐體制造在裝配封頭時(shí)，環(huán)縫焊接過程中會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，加上罐體使用狀態(tài)下存在內(nèi)壓引起的膜應(yīng)力，都會(huì)在環(huán)焊縫附近產(chǎn)生較大的拉 應(yīng)力。

2 泄漏產(chǎn)生原因綜合分析

2.1 介質(zhì)因素

因?yàn)檎羝W發(fā)罐罐內(nèi)介質(zhì)中含有氯離子，而封頭直邊段形成的板條狀馬氏體中，由于存在大量的缺陷，如位錯(cuò)、空位等晶體缺陷聚集合并會(huì)產(chǎn)生大量的孔蝕源，使奧氏體不銹鋼的孔蝕敏感性下降。此時(shí)，介質(zhì)中氯離子就會(huì)迅速浸入孔蝕源，孔內(nèi)發(fā)生快速腐蝕，以垂直于金屬表面的方向，向金屬內(nèi)部滲入，直至發(fā)生晶間破裂或穿晶破裂，從而出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

2.2 受力因素

通過一系列的分析可以看出，罐體封頭直邊部位在工作狀態(tài)下受力有：一是罐體上下封頭成形過程中，直邊段和小R部位產(chǎn)生馬氏體相變，材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力；二是罐體環(huán)縫焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力；三是罐體在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

綜上所述，奧氏體不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐體下封頭直邊段，由于氯離子的存在，加上存在著三組力的共同作用，使得下封頭直邊段出現(xiàn)了晶間腐蝕穿透，從而出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。而上封頭由于處于蒸汽氣相空間，雖然也存在著三組力作用因素，但由于不存在氯離子，固然未出現(xiàn)腐蝕穿透現(xiàn)象。

3 預(yù)防措施

3.1 封頭成形

對(duì)S30408非穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體不銹鋼，建議由冷旋壓成形工藝改變?yōu)闇爻尚渭庸すに?。有關(guān)資料顯示[4]，封頭在不同溫度下加工對(duì)馬氏體的轉(zhuǎn)化也有一定的影響。奧氏體不銹鋼在低于形變誘發(fā)馬氏體相變臨界溫度Md時(shí)，塑性變形會(huì)在常溫下冷加工就會(huì)使部分奧氏體組織轉(zhuǎn)化為馬氏體。馬氏體的上轉(zhuǎn)變溫度一般為馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度的Ms點(diǎn)（-19°）以上320℃左右，封頭在常溫下通過壓鼓和翻邊等強(qiáng)力冷旋壓成型后，由于晶格變形的作用造成奧氏體穩(wěn)定性降低，引起馬氏體轉(zhuǎn)變。所以，針對(duì)S30408等非穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體不銹鋼，宜采用溫成形 工藝。

3.2 固溶處理

建議必要時(shí)對(duì)奧氏體不銹鋼封頭進(jìn)行固溶處理（1025℃～1075℃，0.5～1h，強(qiáng)制空冷或水冷）或穩(wěn)定化熱處理（850℃～930℃），改善和消除在冷旋壓成形中產(chǎn)生的應(yīng)力。

3.3 控制介質(zhì)中PH值含量

對(duì)石墨氯化氫殼體系統(tǒng)中的介質(zhì)進(jìn)行PH值監(jiān)控，添加微量的“強(qiáng)堿弱酸鹽”溶液，促使罐內(nèi)“過熱水”介質(zhì)呈弱堿性狀態(tài)，排除氯離子對(duì)奧氏體不銹鋼罐體的威脅。

3.4 封頭選材

建議奧氏體不銹鋼封頭鋼板選用鎳含量高和穩(wěn)定狀態(tài)奧氏體不銹鋼S30403，S31603材料來制造。根據(jù)報(bào)導(dǎo)，當(dāng)鎳的質(zhì)量比在25.5%～26.0%以上時(shí)，奧氏體不銹鋼在室溫下不能誘發(fā)馬氏體相變。