復合板壓力容器2205雙相鋼鍛件接管開裂原因分析

宋曉俊，鐘文君，郭 旭，馬 超，張予杰，潘 旭

(中國石油 塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000)

0 引言

復合板壓力容器既具備了不銹鋼內(nèi)覆層較好的耐腐蝕性能；又具有基層碳鋼的高強度和低成本的優(yōu)點[1-2]，能滿足石油化工行業(yè)對安全可靠、經(jīng)濟耐用的要求，因此廣泛地應(yīng)用在煉油、化工等領(lǐng)域。

西部某氣田天然氣處理站建于2004年，處理規(guī)模為3×107m3/d，采用J-T閥節(jié)流制冷脫水脫烴工藝，主要設(shè)備包括匯氣管、氣液分離器、預(yù)冷器、低溫分離器等，使處理后的天然氣滿足產(chǎn)品天然氣外輸標準要求[3]。由于該氣田屬于高含水、高含氯根的酸性介質(zhì)氣田，處理站進站匯氣管在選材時選用了16MnR+2205復合板，底部排污接管材料選用了2205雙相不銹鋼純材鍛件[4]，匯氣管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 匯氣管結(jié)構(gòu)示意

2021年5月，在對匯氣管進行檢修時發(fā)現(xiàn)匯氣管排污接管端面存在2處腐蝕坑，現(xiàn)場對腐蝕坑進行打磨、滲透檢測，發(fā)現(xiàn)腐蝕坑內(nèi)存在裂紋缺陷，裂紋呈網(wǎng)狀，如圖2所示，深度40 mm，超過匯氣管筒體壁厚的一半，現(xiàn)場利用碳弧氣刨的方式將失效的排污接管從匯氣管上切除，切除后的排污接管如圖3所示。為了查明接管開裂的原因，對切除的接管開展了化學成分分析、金相檢驗、斷口分析以及晶間腐蝕試驗等理化檢驗和分析[5]。

圖2 排污接管打磨后滲透檢測發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷

圖3 氣刨切割后排污接管

1 基本情況

1.1 匯氣管基本情況

匯氣管的主要作用是匯集站外來氣并分配至下游的脫水脫烴處理裝置。該匯氣管于 2004 年制造，同年11月投用，其基本參數(shù)如表1所示。匯氣管的筒體厚度為(60+4) mm，設(shè)計壓力為14 MPa，容器材料為 16MnR+SAF2205，尺寸為DN 1 200 mm×15 867 mm。

表1 匯氣管基本參數(shù)

1.2 介質(zhì)含量分析

2 理化檢驗

2.1 宏觀檢查

失效接管包含法蘭和接管兩部分，如圖4所示。對外壁進行清洗后，其中法蘭外觀完好、未見破壞，與法蘭連接的接管下部外壁平整、無損傷，但它的上部外表面凹凸不平，有大量冷卻后的鐵水殘留，屬于典型的電弧切割特征，接管端面有兩處氣刨槽，槽底均可見貫穿壁厚的橫向裂紋，無其他顯著缺陷。

圖4 送檢接管外壁清理后宏觀照片

2.2 無損檢測

依據(jù) NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》的方法，對送檢樣品進行射線檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋性缺陷；依據(jù)NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》的方法，對送檢樣品進行滲透檢測，接管內(nèi)外壁均未發(fā)現(xiàn)缺陷，在氣刨切割處底部發(fā)現(xiàn)裂紋。將裂紋處沿厚度的1/2處剖開，對其滲透檢測，在其端面、剖面均發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋深約4 mm(見圖5)。

圖5 裂紋剖面滲透檢測

2.3 取樣部位說明

為了進一步分析接管失效原因，對送檢樣品進行取樣加工，取樣部位如圖6所示。在接管上分別取晶間腐蝕試樣、力學分析試樣、化學分析試樣、低倍組織分析試樣，在裂紋處取斷口分析試樣，取4個金相試樣，其中，1#金相試樣以管橫截面為檢驗面，2#以管縱截面為檢驗面，3#以管橫截面為檢驗面，4#，5#以厚度分層截面為檢驗面。

圖6 取樣部位示意

2.4 化學成分分析

根據(jù)GB/T 223《鋼鐵及合金化學分析方法》對樣品進行化學成分分析，結(jié)果如表2所示。接管化學元素符合NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》中S22053的要求。

表2 化學成分分析結(jié)果

2.5 低倍組織分析

根據(jù)GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》對接管進行低倍組織檢驗，取樣部位見圖6，分別在橫截面、縱截面取樣，采用王水溶液腐蝕，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.6 金相組織分析

2.6.1 非金屬夾雜物

依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》的規(guī)定，對2#金相試樣進行檢驗，試樣經(jīng)機械拋光，接管的非金屬夾雜物級別大于D3級，如圖7所示。

圖7 非金屬夾雜物

2.6.2 顯微組織

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》的規(guī)定，試樣具體顯微組織如表3所示，對應(yīng)的金相組織如圖8～12所示。接管金相組織為奧氏體+鐵素體，鐵素體含量要求在40%～60%范圍內(nèi)，部分兩相晶界呈鋸齒狀，鐵素體晶內(nèi)存在析出相及晶界，部分尺寸較大析出相呈黃色，與奧氏體相顏色相同，部分尺寸較小析出相呈褐色。4#試樣有裂紋，裂紋長約4.47 mm，主裂紋旁存在較多分支，沿鐵素體內(nèi)晶界、析出相，夾雜邊界、孔洞等擴展。4#,5#試樣經(jīng)拋光后在高倍下觀察，試樣內(nèi)部夾雜物相形態(tài)多樣，有圓形、長條形，塊狀等；同一夾雜物內(nèi)有黑色、灰色及多塊小顆粒夾雜物；部分夾雜物存在尖角，并有裂紋延伸、擴展；主裂紋尖端存在孔洞、夾雜物相等，其形貌與大塊夾雜物類似，呈灰色、黑色，內(nèi)部聚集有較多小碎塊。

表3 顯微組織結(jié)果

圖8 1#金相試樣

圖9 2#金相試樣

圖10 3#金相試樣

圖11 4#金相試樣裂紋形貌

圖12 5#金相試樣形貌(拋光態(tài))

2.7 金相組織微觀形貌

2.7.1 王水溶液腐蝕后形貌

為清晰顯示試樣晶界及析出相顆粒，采用王水溶液對3#金相試樣進行腐蝕，在光學顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖13所示。材料組織中存在塊狀黃色、黑色相，鐵素體晶界或鐵素體/奧氏體晶界存在顆粒狀析出相，析出相較小。

圖13 王水腐蝕后析出相及晶界

2.7.2 電鏡下微觀形貌

采用掃描電鏡對金相試樣進行觀察，相邊界為波浪狀，局部晶界存在顆粒狀析出相，被著色的鐵素體相內(nèi)出現(xiàn)了較多晶界腐蝕溝槽，如圖14所示。

圖14 金相試樣微觀形貌

2.8 硬度試驗

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》規(guī)定，對金相試樣進行硬度測試結(jié)果見表4，接管的硬度值符合GB/T 21833—2008《奧氏體 鐵素體型雙相不銹鋼無縫鋼管》中S22053的要求。

表4 硬度檢測結(jié)果

2.9 力學性能測定

依據(jù)GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》的要求，對送檢試樣力學性能進行測試，結(jié)果如表5所示，接管拉伸力學性能符合NB/T 47010—2010中S22053的要求，沖擊韌性較低，平均值為18.3 J。

表5 力學性能測試數(shù)據(jù)

2.10 斷口形貌分析

拉伸試樣宏觀形貌如圖15所示，斷面呈灰色、粗糙，分為兩個明顯的區(qū)域，芯部較為粗糙，區(qū)域為纖維區(qū)和輻射區(qū)，邊緣平整、金屬顆粒較小區(qū)域為剪切唇區(qū)；采用掃描電鏡對斷口形貌進行觀察，芯部以韌窩特征為主，韌窩較深、微孔邊緣存在鏈波狀花樣；邊緣剪切唇區(qū)同樣以韌窩特征為主，鏈波狀花樣數(shù)量減少，且出現(xiàn)了聚集性小韌窩。

(a)實物

沖擊試樣宏觀形貌見圖16，斷面平整，存在結(jié)晶狀小刻面及放射狀花樣，結(jié)晶狀小刻面部分發(fā)亮、部分發(fā)暗，這與材料的相組織有關(guān)，發(fā)亮的為奧氏體相，發(fā)暗的為鐵素體相；斷面存在起源于晶界的河流狀花樣、魚骨狀花樣及舌狀花樣等，微觀形貌以解理開裂特征為主；斷面局部區(qū)域存在韌窩帶等韌性開裂特征，為奧氏體晶界部位開裂產(chǎn)生。

(a)實物

(a)實物

現(xiàn)場原始裂紋面宏觀形貌見圖17，黑色箭頭所指為裂紋擴展方向，黑色直線位置為裂紋尖端區(qū)域，裂紋面呈褐色，這與試驗處理過程中經(jīng)歷的高溫或裂紋擴展過程中受到介質(zhì)腐蝕作用有關(guān)，裂紋面粗糙、存在金屬小刻面；從微觀觀察，斷面存在解理臺階和舌狀花樣，局部解理面存在未脫落夾雜物或析出相，裂紋面以解理開裂特征為主，局部存在晶間開裂特征。

2.11 垢物成分分析

采用EDAX對裂紋表面成分進行分析，結(jié)果如表6所示。樣品含有較多的C,O,Si,Ti,Cr和Fe元素；以及少量的Al,S,Cl,K和Ca元素。其中，Si,Ti有可能是在制造過程中引入的，Si含量最高達到8%。

表6 垢物成分分析結(jié)果

2.12 晶間腐蝕試驗

依據(jù)GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》E法，對失效接管母材試樣進行晶間敏化試驗，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋，如圖18所示。

圖18 晶間腐蝕試樣

3 失效原因綜合分析

3.1 失效接管理化檢驗中發(fā)現(xiàn)的問題

失效接管化學成分、拉伸性能、硬度均符合標準要求，但非金屬夾雜物數(shù)量較多，尺寸較大；同一夾雜物內(nèi)有黑色、灰色及多塊小顆粒夾雜物；部分夾雜物存在尖角，并有裂紋延伸、擴展，較多數(shù)量的夾雜物和周邊存在的尖角和裂紋會降低材料的耐蝕性和沖擊韌性。

從金相檢驗結(jié)果看，失效接管組織中鐵素體相含量較奧氏體高，約60%；試樣經(jīng)電解或王水溶液腐蝕后在光學顯微鏡下、掃描電鏡下觀察，鐵素體晶界或鐵素體/奧氏體晶界析出了顆粒狀碳化物，碳化物尺寸較??；經(jīng)高倍觀察，奧氏體晶界不夠光滑，呈鋸齒形，為疑似有害相組織；局部奧氏體相，沿晶界出現(xiàn)了顆粒狀析出物，為有害金屬間相，但是數(shù)量較少，對材料力學性能和晶間腐蝕性能影響不大。正常工藝條件下，2205 鍛件組織應(yīng)為奧氏體+鐵素體兩相組織，鐵素體晶內(nèi)無晶界或析出相，該組織不正常，失效件沖擊韌性也較低，平均約 18.3 J。

3.2 鐵素體內(nèi)晶界及析出相的類型及來源分析

依據(jù)失效件制造工藝，該失效接管共經(jīng)歷了至少3次熱過程，分別為鍛造、固溶處理和現(xiàn)場熱處理[6-8]。 S22053雙相不銹鋼標準推薦固溶熱處理工藝為1 050～1 100 ℃加熱后快冷，鍛造始鍛溫度為1 150 ℃，終鍛溫度大于950 ℃，現(xiàn)場熱處理工藝為560 ℃×2.5 h。雙相鋼在經(jīng)歷350～1 050 ℃溫度段內(nèi)均有產(chǎn)生析出相的可能，結(jié)合失效件經(jīng)歷熱過程和析出相特征，需對析出相的來源和成分進行進一步確認。

3.2.1 二次奧氏體

部分較大尺寸呈亮黃色，與組織中奧氏體相顏色相同，懷疑析出相為二次奧氏體。對于 S2205雙相鋼，當材料在1 200 ℃以上加熱時，鐵素體晶粒急劇長大、奧氏體數(shù)量迅速減少， 加熱至1 300 ℃以上時，材料組織轉(zhuǎn)變?yōu)閱我淮执蟮蔫F素體相，在隨后的水冷過程中，鐵素體晶界就會出現(xiàn)由鐵素體轉(zhuǎn)變而生成的二次奧氏體，與組織中的鐵素體晶界處形成的奧氏體一致[9]。

3.2.2 M7C3，M23C6，M6C， M2N，σ，τ等類型析出相

失效件經(jīng)歷的熱過程溫度范圍較寬，在冷卻過程中,如果冷卻速度不夠，將會析出各種類型的析出相，如M7C3，M23C6，M6C， M2N,σ,τ等類型。

3.3 析出相對材料性能的影響

資料顯示，雙相不銹鋼中的金屬間相和σ相等對材料沖擊韌性影響較大，以2906超級雙相不銹鋼為例，當金屬間相含量達到4%左右時，其沖擊韌性降低至約50 J，金屬間相含量達到9%時，其沖擊韌性下降至20 J以下；σ相對SAF2507雙相鋼的沖擊韌性也有類似的影響。從失效接管力學性能檢驗結(jié)果看，材料沖擊韌性較低，平均值為18.3 J，可斷定接管較低的沖擊韌性與鐵素體晶內(nèi)、晶界析出相不無關(guān)系。從裂紋擴展形貌看，裂紋沿鐵素體內(nèi)晶界、析出相和夾雜物邊緣擴展，說明此處強度較兩相晶界和晶內(nèi)強度低或者夾雜物邊緣部位已經(jīng)存在的微裂紋擴展。析出相的存在對材料耐點蝕性能也會產(chǎn)生不利影響，以SAF2507鋼為例，鋼中金屬間相含量在0.01%時，其臨界點蝕溫度為70 ℃，當析出相含量超過10%時，其臨界點蝕溫度下降至25 ℃以下。鋼中的氮化物對材料性能有類似的作用，隨著氮化物含量的升高，材料的沖擊韌性和耐點蝕性能均會降低[10]。

3.4 接管開裂機理分析

失效接管為 S22053Ⅲ級鍛件，從現(xiàn)場檢驗結(jié)果分析，裂紋位于接管母材，若材料組織中存在有害金屬間相組織或較多的夾雜物時，或者在有害金屬間相組織或夾雜物存在原始微裂紋時，在運行過程中，裂紋會發(fā)生解理開裂和晶間開裂，與實際的檢驗結(jié)果相一致。

由于失效接管位于匯氣管底部，長期浸泡在呈弱酸性的氣田水中，氣田水中含有 CO2,Cl-等易引發(fā)腐蝕的介質(zhì)，使失效接管發(fā)生了腐蝕，進一步促進了裂紋的擴展，以及有害相或夾雜物部位的腐蝕，從主裂紋尖端形貌看，裂紋沿類似夾雜物的塊狀組織擴展，主裂紋邊緣存在的微裂紋沿鐵素體內(nèi)晶界、塊狀組織、孔洞等擴展，符合陽極溶解特征[11]。

4 結(jié)語

綜合以上分析可知，排污接管使用的2205純不銹鋼鍛件兩相組織中存在析出的金屬間相和夾雜物，且金屬間相和夾雜物部位還存在微裂紋，從而降低了接管韌性以及耐腐性能，疊加在有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中運行發(fā)生腐蝕開裂、開裂擴展，引起接管開裂。

考慮到雙相不銹鋼熱處理的特性，建議在制造2205復合板壓力容器時，謹慎選擇雙相不銹鋼鍛件材料作為接管。