奧氏體不銹鋼容器開裂原因分析及預防措施

杜立劍，南 斌，李 祚

中國石油長慶油田分公司技術監測中心 （陜西 西安 710018）

1 容器基本概況

1.1 吸收氧化反應器簡介

2014年4月對中國石油長慶油田分公司采氣一廠凈化廠硫磺回收裝置中的吸收氧化反應器進行定期檢驗（圖1）。吸收氧化反應器是硫磺回收裝置中的核心設備，主要作用是將含有H2S的酸氣進行氧化還原反應，生產固態硫[1]。

圖1 硫磺回收裝置

1.2 容器基本資料

材質：奧氏體不銹鋼S30403(00Cr19Ni10)；

工作介質：酸性氣體、化學藥劑、硫磺、水；

工作溫度：45～60℃；

工作壓力：0.2～0.5MPa；

公稱壁厚：8.0mm；

容器內徑：Φ8300mm×Φ6850mm；

制造日期：2011年10月；

投用日期：2012年4月；

容器類別：Ⅱ類。

1.3 開裂情況

該容器的此次檢驗，屬于按檢驗規則進行的首次全面檢驗，檢驗前設備運行正常，未出現過異常情況。針對該容器的材質和介質易產生裂紋的特點，重點對焊縫及熱影響區進行了滲透檢測，發現容器筒體對接焊縫熱影響區及容器內隔板與筒體連接的角焊縫熱影響區存在大量裂紋（圖2），裂紋長度15～80mm不等，裂紋呈直線狀，裂紋端部形成尖銳缺口，并從表面向內部擴展，大部分裂紋深2～4mm；筒體對接焊縫熱影響區有兩裂紋近乎穿透金屬母材（圖3），容器開裂情況相當嚴重。

圖2 角焊縫

圖3 對接焊縫

2 原因分析

該容器長期處于高溫高壓且富含硫化物的酸性環境中，所選用的奧氏體不銹鋼具有良好的力學性能和工藝性能，且具有優良的耐腐蝕性。但奧氏體不銹鋼容器，由于其特殊的晶體結構，具有很高的應力腐蝕敏感性，具體分析如下：

1）應力是應力腐蝕開裂的重要因素。奧氏體鋼由于導熱性差和線膨脹系數大，在約束焊接變形時由于焊縫金屬的收縮和周圍金屬的牽制所造成的殘余拉應力高達210～280MPa。而引起奧氏體鋼滑移的應力水平大約為0.2～0.3MPa，即可能產生應力腐蝕破裂[2-3]。

2）材料是應力腐蝕開裂的主要因素。奧氏體不銹鋼在焊接時焊縫和熱影響區在升降溫的過程中難以避開敏化溫度，使不銹鋼中的C與Cr反應生成Cr23C6并析出，因此在焊接接頭金屬的晶間容易出現貧鉻區。而鉻含量是確保不銹鋼抗腐蝕性的重要指標，由于這種貧鉻使晶間不能抵抗某些介質的侵蝕，貧鉻區往往優先發生晶間腐蝕[4]。

3）介質環境是應力腐蝕開裂的敏感因素。奧氏體不銹鋼容器在高溫硫化環境下，會在表面發生反應形成FeS，當容器表面降溫或冷卻到室溫時，FeS與空氣中的O2和H2O繼續反應，生成連多硫酸（H2SXO6，X=3、4、5）。 其化學方程式如下：

該奧氏體不銹鋼容器在連多硫酸和殘余應力共同作用下發生沿晶應力腐蝕開裂。此應力腐蝕開裂的機理是貧鉻區陽極溶解，陰極反應是由連多硫酸的還原而引起的。由于開裂首先是借助亞硫酸產生晶間腐蝕，因而常發生在受到敏化作用的焊接熱影響區[5]。

3 預防措施

在容器正常運行時，由于是封閉的，不易發生這種開裂。而當容器停產以后被打開，含水和氧氣的空氣進入容器內，才達到反應的條件。因此為了預防此類腐蝕開裂的產生，建議如下：

1）使用含Ti、Nb等穩定元素的奧氏體不銹鋼材料，以預防貧鉻區的產生。

2）容器在停用后，應盡量與空氣隔絕。若容器不打開，必須向里面填充惰性氣體；若容器打開，則需要先用堿性溶液除去表面的硫化物，然后用水沖洗。

3）采用機械方法錘擊消除由焊接和加工引起的殘余應力。

對奧氏體不銹鋼容器來說，除了要防止硫化物應力腐蝕開裂外，還需要注意由于介質中的微量鹽分引起的氯化物應力腐蝕開裂和殘留堿引起的苛性堿應力腐蝕開裂。

[1]強天鵬.壓力容器檢驗[M].北京：新華出版社，2008.

[2]王曉雷.承壓類特種設備無損檢測相關知識[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

[3]GB 150-2011壓力容器[S]

[4]TSG R7001-2013壓力容器定期檢驗規則[S]

[5]TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術監察規程[S]