轉化爐氧-蒸汽混合管線焊縫開裂失效探討

陳樹鋒

摘要：通過對轉化裝置氧-蒸汽混合管線焊接接頭進行失效分析，找出焊接接頭失效的原因，進而采取有效措施，通過規范焊接工藝、提高材質、調整工藝操作條件等措施，徹底解決管線泄漏的問題。

關鍵詞：失效分析； 轉化爐；裂紋；腐蝕

中圖分類號： TG4 文獻標識碼： A

引言 ：

我公司轉化裝置于2012年3月安裝，5月投入運行，裝置運行半年后，在管道裝配的焊縫和熱影響區處普遍出現多處裂縫，造成介質氣體泄漏，失效管道材質為304 不銹鋼，管道中的介質為氧氣與水蒸氣的混合氣體（其中氧氣的溫度為 115℃，水蒸氣為250℃；氧氣水蒸氣體積比為 1 : 0.019）。304 不銹鋼 （0Cr18Ni9）屬于奧氏體不銹鋼，具有優良的塑性、韌性以及冷加工性等，在氧化性酸、大氣、蒸汽等介質中均具有較好的耐蝕性，在石油、化 工等行業獲得了廣泛的應用。其主要合金元素化學成分為：C:≤0.08%，Mn ：2.00%，Cr：18~20%，Ni ：8~12%；其余合金元素含量為：S:≤0.03%，P:≤0.035%， Si :≤1.00%。

1分析方法

分析檢測主要從以下三個方面進行： 1）從管道失效部位處截取試樣，制備金相試樣，觀察試樣缺陷位置宏觀形 貌以及微觀金相組織，進行金相缺陷分析；

2）在帶裂紋的管道上截取含裂紋的試樣，沿裂紋處將斷口打開，通過掃描 電鏡（SEM）觀察斷口形貌，檢測斷面的化學成分組成； 3）利用能譜分析儀，檢測管道母材、焊縫熱影響區、焊縫以及產生裂紋周邊組織的化學成分，進行對比分析。 2 實驗結果 2.1 金相組織分析利用體式顯微鏡和金相顯微鏡觀察試樣的宏觀形貌以及金相組織。圖1 為試樣包含裂紋的焊接接頭宏觀形貌。圖2~5 分別為試樣焊縫區、熔合區、熱影響區及母材的金相組織。 從圖2~5 可以看出，管道母材主要是細小均勻的奧氏體組織，焊縫區主要是白色的奧氏體和黑色的鐵素體組織。熱影響區組織與母材相比，晶粒尺寸變大，其中母材平均晶粒大小為30μm 左右，熱影響區為50μm 左右。

圖1焊接接頭宏觀形貌（x16） 圖2 焊縫區金相組織（x200） 圖3熔合區金相組織（x200）

2.2 SEM 分析

2.2.1 斷面SEM 分析

在管道上切割截取包含裂紋的試樣，沿裂紋處將斷口打開，通過掃描電鏡（SEM）進行斷口分析。斷面上存在大量顆粒，初步判斷為裂紋區氧化物。撕裂狀的形貌是制備試樣中形成的。也可以看出由于高溫蒸汽氧化腐蝕的的作用，加劇了裂紋的延伸。氧化物顆粒附近的試樣很容易斷裂。

2.2.2 沿管道厚度橫截面試樣SEM 分析

對于金相觀察后的試樣，選取一個具有裂紋典型特征的試樣，進行SEM 觀察。裂紋中均存在顆粒狀的氧化物，裂紋不僅向縱深發展，而且沿橫向也有分支。焊縫區裂紋主要以沿晶裂紋為主，而熱影響區裂紋以穿晶形式開裂。熱影響區裂紋擴展很快，形成了管狀孔洞，這主要是因為在焊接過程中存在原始裂紋，熱影響區粗大的晶粒脆化，在管道應力作用下裂紋極易擴展。

2.3 能譜分析

利用能譜分析儀，對母材、熱影響區和焊縫組織的化學成分進行對比分析。并對斷口裂紋區的化學成分進行分析。

為斷口試樣上放大至5000 倍后整個區域的能譜分析結果。為斷口試樣放大5000 倍后晶粒處的能譜圖和成分分布表。

可以看出，為斷口試樣上斷開區域縫隙間的部分，從前面金相分析初步判斷為氧化物。 晶粒處的化學成分比較可以看到， 裂紋處的氧的含量與基材晶粒處相比增加很多，鉻的含量與晶粒相比也有明顯的增加，含碳量也有微小的增加，而鐵、鎳的含量與基材晶粒相比減小，這證明了焊接接頭裂紋區顆粒狀物質為富鉻的氧化物。這是因為在焊接熱過程中在晶界上會析出Cr，造成晶界附近的貧鉻現象材料鈍態遭到了破壞，耐腐蝕性降低。高溫水蒸氣中大量氧的存在，進入試樣中擴散富集與裂紋前端，形成一個氧化物聚集區，在裂紋尖端應力集中作用下，裂紋在氧化物中不斷長大并擴展。合金元素的分布和掃描電鏡結果均說明了這一裂紋擴展過程，形成應力腐蝕裂紋。而焊縫區中心區域的裂紋受到腐蝕作用較小，裂紋擴展相對較小。

3 分析結論 1）綜上所述，管道裂紋按照裂紋產生的位置可以分為三種： 焊縫區裂紋由焊縫根部未焊透或焊縫中氣孔、裂紋等缺陷引發，向焊縫中心擴展，有明顯沿晶開裂特征，并存在沿晶氧化腐蝕現象。 熔合區附近裂紋有穿晶和沿晶特征，并呈現多發性，主要由未焊透造成。熱影響區裂紋具有穿透性特征，屬脆性裂紋，同時也存在沿晶氧化腐蝕現象，主要是由于焊接過程中熱輸入過大，晶粒粗大、脆化，在管道內壓作用下擴展形成。

2）同時，根據管線的操作條件分析，該管線中有水蒸汽凝結成液相水，并且工藝溫度120-150℃正是奧氏體不銹鋼易遭受應力腐蝕、點蝕、和在富氧的高溫高壓水中發生晶間腐蝕的溫度，介質中的富氧對奧氏體不銹鋼的開裂更起強烈的促進作用

4 改建建議1）由于奧氏體不銹鋼對富氧環境下晶間腐蝕的敏感性，建議改進管線材質，選用超低碳不銹鋼316L，提 高管材抗介質腐蝕的能力。

2）從分析結論看出，焊縫區、熔合區、熱影響區裂紋都是由于焊接不規范而引發的，應規范焊接工藝打底焊，采用氬弧焊打底；焊接電流80-100A，直流反接，保證層間溫度≤100℃。確保打底焊接時根部完全焊透，并與管材之間圓滑過渡。 蓋面焊，采用 φ2.5-3.2mm 焊條，焊接電流≤100A；可采用間斷焊，保證層間溫度≤100℃，中間可采取水冷處理措施。

參考文獻

[1]天華化工機械及自動化研究設計院.《腐蝕與防護手冊》[M].北京：化學工業出版社出版.2009.

[2]朱中平,薛劍峰,李智誠.《鍋爐與壓力容器常用金屬材料手冊》[M].北京：中國物資出版社.2001.