鍛制補強管斷裂原因分析及修復

張世升

北京燕華工程建設有限公司 北京 102502

鍛制補強管斷裂原因分析及修復

張世升

北京燕華工程建設有限公司 北京 102502

一臺新制奧氏體不銹鋼低溫塔在未達到操作溫度條件下，塔底鍛制補強管突然斷裂。分析了裂紋產生的原因，對修復過程進行了敘述，為今后避免類似事故的發生提出了意見與建議。

補強管 斷裂 分析 修復

國內某乙烯裝置中脫甲烷塔是按GB150設計、并依據JB4710制造、檢驗及驗收的更新設備，其材質為0Gr18Ni9（標準化學成分見表1），規格Φ1900/Φ2400/Φ3500×63350，設計壓力0.8MPa，設計溫度-145℃，屬一類壓力容器。工藝流程中，該塔主要用途是在低溫條件下將C1從烴中分離出來。該塔建成后在當年十月投入運行，打通流程降溫至-70℃時，塔底47#管口鍛制補強管突然斷裂，造成烴類泄漏，裝置被迫停車。

為使裝置安全運行，急需對該設備鍛制補強管進行分析、評定，在理論和實際許可的條件下，采取相應措施進行修補。

1 缺陷性質及成因分析

該塔為新制設備，使用前，全部焊縫經100%無損檢驗，均未發現超標缺陷，且設備承受了常溫下的壓力試驗及沉降試驗，符合制造及檢查標準要求，在常溫、有壓條件下無任何破壞跡象。在無壓低溫條件下突然斷裂，說明材料在抗低溫性能上存在一定問題，因此，從材質損傷分析入手，逐步揭示鍛制補強管斷裂的原因。

1.1 裂紋分布及特征

裂紋出現在鍛制補強管與工藝彎頭焊縫附近補強管一側，距熔合線約5mm鍛制補強管變截面部位基本上已經完全斷裂。斷裂補強管側面宏觀形貌及斷裂補強管斷面宏觀形貌見圖1和圖2。

從裂紋發生部位顯微組織看，金相組織為奧氏體＋富鉻碳化物，裂紋有多個成核區，基本上沿碳化物析出的晶界發展，個別部位還呈現樹狀分枝，有些碳化物邊界已出現點狀腐蝕坑。圖3、圖4為裂紋部位金相照片。

1.2 裂紋斷口分析

表1 0Gr18Ni9標準化學成份

如圖1、圖2所示，從斷裂鍛制補強管裂紋的宏觀形貌可以看出，斷裂表面基本上與補強管軸線垂直，斷口較為粗糙，斷口毗鄰部位金屬未發現明顯塑性變形，斷口表面發生銹蝕，呈棕黃色。

微觀觀察結果表明，裂紋具有典型的沿晶斷裂特征。能譜分析結果表明，斷口原始表面除基體金屬Fe、Cr、Mn、Ni外，尚有少量 S、Cl等元素（見圖 5、圖 6）。

三個不同部位原始斷裂表面能譜分析結果見表2。需要指出的是，能譜成分分析是一種微區分析，其基體成分與微觀成分有較大區別，這與微區范圍內成份偏析或析出有關。

表2 鍛制補強管斷口表面能譜分析結果 （w t%）

1.3 裂紋性質及成因分析

1.3.1 材質因素

該鍛制不銹鋼補強管化學成分完全不符合現行國家標準，碳、錳含量嚴重超標，鉻、鎳含量明顯不足。即使不在450～850℃的不銹鋼敏化區內，碳化物也會從晶界析出，造成晶界附近鉻含量不足，能量線譜分析個別微觀部位鉻含量只有5%左右，晶界附近金屬處于活性狀態。

同時，錳含量嚴重超標，促使晶粒粗大，材料在-50～-60℃附近由韌性材料轉化為脆性材料。

1.3.2 環境因素

設備安裝在5、6月份進行，正處于雨季，雖然進行了必要的防護措施，但不可能完全保證雨水不進入塔內；試壓時，壓力試驗也是用水作為試驗介質。此外，該管口為液位計測量的下口，存在低點袋狀，不利于完全排盡殘留水分。殘留水分較長時間的自然蒸發，使該部位氯離子局部濃縮、聚集，從而提高了氯離子濃度。

1.3.3 成因分析

鍛制不銹鋼補強管斷裂部位處于結構突變部位，裝配應力、焊接殘余應力、管路降溫收縮應力均會形成拉應力。同時，該部位存在較高濃度的氯離子。氯離子是奧氏體鋼應力腐蝕的敏感介質，而該材料本身又處于活性狀態。因此，分析認為該處裂紋首先是由氯離子應力腐蝕產生，而材料脆化加速了裂紋的擴展，最終導致開裂。裂紋形態及斷口分析都進一步證明了上述結論。

2 修復

鍛制補強管與工藝彎頭基本上完全斷開，其鍛制補強管材質完全不符合GB1220標準的要求，根據《壓力容器安全監察規程》，該材料必須更換。但由于檢修期極為緊張，沒有時間將塔內物料進行置換，因此，塔內不具備動火條件。經過反復論證，采用外部包補的方法修復該設備（見圖7）。

首先將原補強管用管刀切除50mm，重新加工合格材質的鍛件，將其套入原補強管外部，與塔下封頭連接采用角接接頭形式，與彎頭連接采用對接焊接接頭形式。焊接采用手工氬弧焊焊接，焊絲采用H 0Cr21Ni10，層間溫度在100～120℃左右，焊接完成后，角焊縫用PT檢查，對接焊縫用RT檢查。

修復后，經PT、RT檢查，檢查結果合格，裝置開車后，未發生任何問題。到目前為止，該塔已安全運行超過5000h，證明修復工作是行之有效的。

3 結論與注意事項

（1）鍛制補強管斷裂是由于材質不合格引起的，材質出現了脆性轉變，必須更換。

（2）裂紋產生是由氯離子引起的應力腐蝕裂紋，材料脆化進一步加速了裂紋發展，因而在極短的時間內發生斷裂。

（3）修復采用了外部包補方法，建議下次全檢時，按設計圖樣，予以更換，若無條件更換，該部位應重點進行檢查。

（4）奧氏體不銹鋼對氯離子引起的晶間腐蝕或應力腐蝕特別敏感，建議檢修期及下次水壓試驗時，要特別防護，嚴禁氯離子長時間留于容器內。

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1672-9323（2013）01-0093-03

2012-10-16）