熱處理對復(fù)合板容器S22053鍛件制接管性能的影響分析

李亞軍，劉紹東，童 根， 宋曉俊，柳 楠，宋文明，盧雪梅

(1.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司 塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000；2.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司，上海 201518)

0 引言

碳鋼+不銹鋼復(fù)合板材料，因其兼具碳鋼的經(jīng)濟(jì)性和不銹鋼的耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于石油石化工業(yè)領(lǐng)域[1-4]。S22053因其優(yōu)于鐵素體不銹鋼的屈服強(qiáng)度、優(yōu)于奧氏體不銹鋼的抗疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性能，作為耐蝕覆層在壓力容器中的應(yīng)用發(fā)展快速，但需要關(guān)注焊后消除應(yīng)力熱處理導(dǎo)致S22053材料性能下降問題[5-6]。針對一臺壓力容器在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的腐蝕、開裂失效現(xiàn)象，通過金相組織、化學(xué)成分、力學(xué)性能、斷口形貌、模擬試驗(yàn)等方法，對失效元件腐蝕、開裂原因進(jìn)行分析，對現(xiàn)場相同制造工藝的設(shè)備進(jìn)行金相復(fù)查，進(jìn)一步驗(yàn)證碳鋼焊后消除應(yīng)力熱處理對S22053材料的影響，并提出合理的建議，為其在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 失效設(shè)備基本情況

失效設(shè)備位于西部某天然氣處理廠，是一臺集氣匯管，失效部位為排污接管，匯集了東、西干線來氣并分配至6套脫水脫烴處理裝置，是處理站的關(guān)鍵設(shè)備。匯管筒體厚度(60+4) mm，設(shè)計壓力14 MPa，運(yùn)行壓力9.5～11 MPa，容器材料為16MnR+S22053，尺寸為DN1200×15867 mm，接管材料為S22053 Ⅲ鍛件，接觸介質(zhì)為濕天然氣(游離水近500 t/d，但限于取樣條件，僅對天然氣進(jìn)行了化驗(yàn))，具體組分見表1。

表1 介質(zhì)組分

該設(shè)備于2004年投入使用，2021年容器開罐檢驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)集氣匯管下部排污口接管存在腐蝕坑，失效接管位置見圖1。

圖1 失效部位示意

2 失效件取樣分析

2.1 宏觀檢驗(yàn)與無損檢測

截取失效接管，取樣進(jìn)行失效原因分析。經(jīng)宏觀檢查，腐蝕坑位于接管端面(與匯管內(nèi)介質(zhì)接觸)，經(jīng)打磨、滲透檢測后，發(fā)現(xiàn)裂紋位于腐蝕坑底部，沿接管徑向分布，軸向擴(kuò)展，自內(nèi)端面向下擴(kuò)展深度約30 mm。接管外壁未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，為節(jié)約成本，現(xiàn)場制定了打磨、消除裂紋+補(bǔ)焊的修復(fù)方案，但在打磨過程中發(fā)現(xiàn)裂紋沿接管管壁中部向下擴(kuò)展，打磨深度至40 mm裂紋仍未消除，從管壁表面無法判斷裂紋擴(kuò)展深度，故進(jìn)行了解剖失效分析，失效部位形貌見圖2。

2.2 化學(xué)成分分析

對該送檢樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。失效接管化學(xué)成分符合NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》中S22053的要求。

懷疑論者無法保持思想與行動的一致性，必然陷入矛盾。對此，馬克思和恩格斯曾在《德意志意識形態(tài)》中診斷說：“懷疑論派把人們對事物的理論關(guān)系歸結(jié)為假象，而在實(shí)踐中讓一切保持原狀，同時他們順應(yīng)這種假象完全像別的人順應(yīng)現(xiàn)實(shí)一樣?！盵53]觀想的態(tài)度和普遍的懷疑不是健康的人實(shí)際可以抱持的態(tài)度，僅是形而上學(xué)的思辨造就的幻想。懷疑論者在面對生活實(shí)踐時，都自覺地轉(zhuǎn)變成了堅定的可知論者。他們饑餓時毫不遲疑地?fù)湎蚴澄?，遇到?yán)寒則不假思索地穿上棉衣，如此等等。此時，他們知道自己與之打交道的不是任何心靈幻影、假象、印象或圖像，而是貨真價實(shí)的外部事物。

設(shè)備的其他接管未發(fā)現(xiàn)腐蝕開裂現(xiàn)象，但板材覆層投入使用以后，出現(xiàn)大量的點(diǎn)蝕問題，采用打磨加鎳基625合金覆蓋修復(fù)后，才得以遏制點(diǎn)蝕問題。

圖2 失效部位形貌

表2 化學(xué)成分分析

2.3 金相組織分析

接管上截取試樣進(jìn)行顯微組織分析，在拋光態(tài)下觀察，組織中存在塊狀夾雜物，且塊狀夾雜物內(nèi)部組織呈碎塊狀、深灰色，邊緣不光滑、存在尖角及裂紋(見圖3(a)(b))，經(jīng)評定，接管非金屬夾雜物級別為D3級，夾雜物超標(biāo)；材料內(nèi)部還存在獨(dú)立裂紋，裂紋沿細(xì)小析出相擴(kuò)展，見圖3(c)。接管顯微組織為鐵素體+奧氏體，奧氏體含量約42%，兩相比例正常，但鐵素體相內(nèi)出現(xiàn)了黑色顆粒狀析出相和晶界，見圖3(d)；經(jīng)掃描電鏡觀察，相邊界為波浪狀，局部晶界存在顆粒狀析出相，析出相寬約38 nm，最長顆粒長約400 nm，見圖3(e)；裂紋尖端形貌見圖3(f)，裂紋沿鐵素體相內(nèi)晶界和塊狀夾雜、析出相擴(kuò)展，奧氏體相內(nèi)無裂紋擴(kuò)展。

圖3 試樣顯微組織

2.4 力學(xué)性能分析

對失效接管力學(xué)性能進(jìn)行測試，其結(jié)果如表3所示。

表3 力學(xué)性能測試結(jié)果

接管拉伸力學(xué)性能符合NB/T 47010—2017中S22053的要求，但沖擊韌性較低，沖擊吸能量平均值為18.3 J，遠(yuǎn)低于訂貨條件(X≥70 J，最小值>56 J)要求，沖擊韌性的降低與材料組織或成分有關(guān)，對于不銹鋼，若夾雜物尺寸數(shù)量多、尺寸大或組織不均勻、晶界存在有害相組織等均可導(dǎo)致材料韌性下降。

2.5 斷口形貌分析

打開接管裂紋，發(fā)現(xiàn)裂紋面粗糙、存在金屬小刻面；經(jīng)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，見圖4(a)(b)；同時，對沖擊試樣斷面形貌進(jìn)行分析(見圖4(c))，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。接管裂紋的擴(kuò)展形態(tài)與沖擊試樣斷面形態(tài)相似，呈解理開裂特征。

圖4 斷口形貌示意

2.6 析出相、夾雜物成分分析

結(jié)合光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察失效接管裂紋形貌，裂紋分叉較多，沿鐵素體相內(nèi)晶界或夾雜物擴(kuò)展，采用X-射線能譜分析儀(EDAX)對裂紋內(nèi)夾雜物成分進(jìn)行分析，檢測位置見圖5。接管材料內(nèi)存在兩種形態(tài)夾雜物，一種為光亮的灰色塊狀物，主要成分為AlO，見表4;另一種為深灰色的碎塊狀夾雜物，主要成分為MnS，見表5；夾雜物周邊存在的裂紋為鋼坯在鍛造過程中受力產(chǎn)生。

圖5 夾雜物檢測位置示意

裂紋內(nèi)析出相尺寸較小，且因金相組織侵蝕，析出相在晶界溝槽內(nèi)，計數(shù)率太低無法檢測，故紋面析出相部位進(jìn)行檢測，檢測位置見圖6，檢測結(jié)果見表6，7。

失效接管為S22053 Ⅲ級鍛件，經(jīng)固溶處理后的正常組織應(yīng)為鐵素體+奧氏體，兩相晶界光滑、組織中無第二相組織存在，但在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其鐵素體相內(nèi)存在析出相、晶界。對于S22053不銹鋼，在高于350 ℃的環(huán)境中長期停留則會產(chǎn)生析出相，不同溫度段，產(chǎn)生的析出相種類不同。依據(jù)制造工藝，組裝完成后對設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場整體焊后消除應(yīng)力熱處理，熱處理工藝為580 ℃×2.5 h，此工藝條件下材料組織中易產(chǎn)生析出相；鐵素體晶界或兩相晶界處析出相的存在，降低了晶界的耐腐蝕性能，弱化了晶界強(qiáng)度；在應(yīng)力的作用下，缺陷部位(晶界、析出相)優(yōu)先萌生裂紋并擴(kuò)展。

表4 大塊夾雜物EDAX分析結(jié)果

表5 碎小夾雜物EDAX分析結(jié)果

圖6 析出相檢測位置示意

表6 析出相EDAX分析結(jié)果

表7 基體EDAX分析結(jié)果

3 失效機(jī)理分析

3.1 接管存在的問題及來源

為進(jìn)一步驗(yàn)證制造工藝對材料的影響，現(xiàn)場對相同制造工藝設(shè)備的78只設(shè)備接管進(jìn)行金相復(fù)查，檢查出存在析出相的接管28只，檢出率36%。

為分析析出相的析出溫度及其對材料性能的影響，進(jìn)行了6組試驗(yàn)。失效接管經(jīng)1 105 ℃固溶處理后觀察，發(fā)現(xiàn)金相組織鐵素體內(nèi)晶界及析出相消失，晶界光滑，沖擊韌性上升至90 J；再次進(jìn)行580 ℃×2.5 h熱處理，鐵素體晶內(nèi)出現(xiàn)析出相，沖擊韌性下降至9 J。試驗(yàn)表明，組織中析出相的存在及沖擊韌性的偏低均與設(shè)備焊后熱處理有關(guān)。S22053不銹鋼在500～650 ℃低溫時效會析出R相、π相、Fe3Cr3Mo2Si2相、α′相等中間相，表現(xiàn)在微觀組織中為鐵素體相內(nèi)的黑色顆粒，保溫時間越長，黑色顆粒越多，并且在鐵素體內(nèi)晶界、鐵素體/奧氏體相界集中，這些脆性相顆粒的析出會降低材料的韌性[10-12]。

中間相的析出不但降低了材料的沖擊韌性，還降低了材料的耐點(diǎn)腐蝕性能[13]，采用電化學(xué)方法測定經(jīng)不同溫度熱處理的S22053鋼鍛件的臨界點(diǎn)蝕溫度(CPT)，結(jié)果見圖7。固溶態(tài)時材料的CPT約為70 ℃；經(jīng)540～650 ℃熱處理后，材料的CPT變化不大，在60～65 ℃之間；經(jīng)700 ℃熱處理后，材料的CPT明顯降低，約為50 ℃。隨著熱處理溫度的升高，組織中析出相數(shù)量增多、尺寸增大，材料的CPT下降，抗點(diǎn)腐蝕性能下降，即在較低溫度下就會發(fā)生點(diǎn)腐蝕。

該建筑總空調(diào)面積為238m2，利用DeST模擬軟件進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷計算，得到全年最大的冷負(fù)荷為32.95kW，全年最大熱負(fù)荷為19.03kW。由于是家用中央空調(diào)，空調(diào)同時使用系數(shù)取0.7[9]，以制冷量為23.1kW進(jìn)行設(shè)備選型。空調(diào)冷熱源方案擬采用加裝殼管式換熱器的地下水源熱泵系統(tǒng)（方案1），為比較其節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性，與空氣源熱泵系統(tǒng)（方案2）和地埋管地源熱泵系統(tǒng)（方案3）進(jìn)行對比，方案1、2、3對應(yīng)的設(shè)備選型如表1、表2和表3所示。

3.2 熱處理溫度對材料性能的影響

將5塊太陽能電池板串聯(lián)后（90V）與蓄電池組的正負(fù)極連接。為確保蓄電池組的安全，在電路中串接熔斷器（5A左右）兩個，同時串接一個工作電流為10A的空氣開關(guān)（QF）。為防止無光照時蓄電池組對太陽能電池板反向充電，在太陽能電池板和蓄電池組之間串接一個10A的二極管，同時在每塊太陽能電池板的兩個極間都并聯(lián)一個10A的二極管。最終電路設(shè)計如圖3所示。

綜合上述檢驗(yàn)結(jié)果，失效接管化學(xué)成分、拉伸性能滿足NB/T 47010—2017中S22053的要求，但其沖擊韌性偏低且金相組織中存在塊狀夾雜物、塊狀析出相、鐵素體晶內(nèi)存在晶界及短棒狀析出相。

圖7 不同溫度熱處理后S22053鋼鍛件在10%NaCl溶液中的CPT

接管接觸介質(zhì)為濕天然氣，介質(zhì)組分中含有1.014%的O2和0.698 9%的CO2，CO2在潮濕的環(huán)境中形成酸性環(huán)境，降低了介質(zhì)的pH值，增大了材料點(diǎn)腐蝕的速率，再加上O2的不斷補(bǔ)給，發(fā)生腐蝕反應(yīng)，材料表面形成的鈍化膜被均勻溶解，并生成腐蝕產(chǎn)物,加速腐蝕發(fā)生[14-15]。

BIM，Building Information Modeling首字母縮寫，即建筑信息模型或建筑數(shù)字模型。隨著信息時代的來臨，建筑工程管理領(lǐng)域也開始應(yīng)用到計算機(jī)輔助應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了建筑業(yè)與信息化的緊密相連。BIM技術(shù)在建筑工程的規(guī)劃、設(shè)計、實(shí)施及運(yùn)營等全過程實(shí)現(xiàn)了有效管理，也實(shí)現(xiàn)了建筑工程的全生命周期管理，極大地提升了工程管理的高效性和規(guī)范化。

鋼件在冶煉過程中因鋼液不純凈、成分不均勻等原因?qū)е虏牧现写嬖诔瑯?biāo)夾雜物，結(jié)合EDAX分析結(jié)果，夾雜物主要成分為MnS,Al2O3,為鋼液脫氧、脫硫過程中的反應(yīng)產(chǎn)物，在后期的熔煉和澆注過程中未及時去除，殘留在鋼錠中，以塊狀或條狀存在，呈灰色[7-9]。

4 結(jié)語

雙相不銹鋼S22053材料與碳鋼同爐進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，會導(dǎo)致材料鐵素體相內(nèi)、鐵素體/奧氏體相晶界析出脆性相顆粒，CPT下降，降低了晶界的耐腐蝕性能，弱化了晶界強(qiáng)度；在應(yīng)力的作用下，缺陷部位(晶界、析出相)優(yōu)先萌生裂紋并擴(kuò)展。建議碳鋼+S22053雙金屬復(fù)合材料制造的壓力容器，應(yīng)避免采用熱處理工藝消除焊后應(yīng)力，如果必須采用焊后消應(yīng)力熱處理工藝，接管等材料不宜采用S22053鋼鍛件。

失效件中的夾雜物超標(biāo)，存在尖角等易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，在接管坯料鍛造過程中，尖角部位應(yīng)力增大、有萌生裂紋的風(fēng)險，但本次試驗(yàn)不能證明夾雜物會顯著降低材料的韌性。

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