在役不銹鋼壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂預(yù)防

吳孝平

（云南云天化無損檢測有限公司，云南 昆明 650011）

殼牌煤制氣技術(shù)在化工生產(chǎn)已得到非常廣泛的應(yīng)用。然而，裝置設(shè)備的損傷機(jī)理仍在經(jīng)驗摸索中。某公司汽化裝置設(shè)備調(diào)和循環(huán)水過濾器S-1302在安裝投用后不久即發(fā)生了封頭側(cè)焊縫熱影響區(qū)開裂泄漏，裝置生產(chǎn)被迫停產(chǎn)處理的事故。

1 事故設(shè)備情況

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

事故設(shè)備由湖北五環(huán)科技股份有限公司設(shè)計，西安亞劍石化設(shè)備有限公司制造，西安寶德粉末冶金有限公司監(jiān)制，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 事故設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

其工藝流程是循環(huán)水從調(diào)和水泵P-1304出來經(jīng)加熱器E-1308加熱至210℃進(jìn)入該過濾器S-1302，經(jīng)過濾去除機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入汽化爐的四個煤燒嘴水夾套冷卻汽化爐煤燒嘴，從水夾套出來的水再返回到調(diào)和水泵P-1304入口，形成一個水循環(huán)。循環(huán)過程損耗的冷卻水由鍋爐給水系統(tǒng)再予補(bǔ)給。

1.2 設(shè)備設(shè)計制造使用情況

設(shè)備設(shè)計壓力7.0 MPa，設(shè)計溫度250℃，材質(zhì)06Cr19Ni10（304鋼），規(guī)格Φ700×24mm，容積0.81m3，工作壓力6.22MPa，工作溫度210℃。

制造時，封頭冷加工成形，用30mm代替，封頭與筒體組裝連接焊接時，B1焊縫有4處存在返修，返修后按JB／T47013.2-2005射線檢測，合格驗收。

設(shè)備投入使用后未曾出現(xiàn)過超溫、超壓，未進(jìn)行過修理改造。

1.3 設(shè)備開蓋檢驗

1.3.1 宏觀檢驗

宏觀檢驗除外觀有泄漏痕跡外，無明顯內(nèi)外部沖刷減薄和變形，容器結(jié)構(gòu)和幾何尺寸與設(shè)計圖樣相符。

1.3.2 壁厚測量

超聲波測量封頭和筒體壁厚均無明顯減薄，最大厚度29.5mm，最小28.7mm，經(jīng)強(qiáng)度校核計算滿足設(shè)計使用條件。

1.3.3 無損檢測

滲透檢測容器內(nèi)壁表面，在封頭內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)B1焊縫附近存在6條裂紋，最長150mm、最短45mm，見圖2。裂紋均出現(xiàn)在封頭一側(cè)有焊縫返修痕跡的熱影響區(qū)，沿焊縫走向、有開叉有分枝、部分貫穿封頭直邊壁厚。

圖2 封頭內(nèi)壁B1焊縫附近裂紋示意圖

1.3.4 材質(zhì)分析

光譜分析封頭材質(zhì)，組分符合06Cr19Ni10標(biāo)準(zhǔn)成份；金相檢驗主要為穿晶裂紋、部分有沿晶；在封頭直邊段還伴隨有非常強(qiáng)的鐵磁性。

1.3.5 硬度與鐵素體測定

測得封頭直邊硬度632HL（357HB）、焊縫427HL（162HB）、圓筒體 471HL（195HB）；封頭直邊鐵素體35.8%、封頭頂端0.41%。硬度和鐵素體均沿封頭頂端向直邊逐步增高，差異較大，詳見圖3。

圖3 封頭鐵素體分布示意圖

1.3.6 水質(zhì)分析

因設(shè)備處于停車，沒有運行循環(huán)水供檢測，僅查閱到之前鍋爐給水取樣分析報告，其中氯離子約在 0.08mg／L、溶解氧 5.0μg／L、N2H44.0μg／L、鈉離子5.0μg／L、電導(dǎo)率 20μs／cm、pH值 9.4左右運行，指標(biāo)均在工廠操作標(biāo)準(zhǔn)控制范圍。

2 產(chǎn)生裂紋原因

2.1 磁場強(qiáng)度和硬度異常分析

06Cr19Ni10正常組織為奧氏體，無磁性，標(biāo)準(zhǔn)硬度≤201HBW。

本容器封頭在冷加工成型制作中，受機(jī)械冷擠壓發(fā)生塑性形變、晶格位錯，部分非穩(wěn)定奧氏體發(fā)生相變成馬氏體，出現(xiàn)硬化。因直邊受到的冷擠壓遠(yuǎn)大于封頭頂端，從而直邊硬度和磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)高于頂端和過渡區(qū)。

據(jù)資料報導(dǎo) “奧氏體不銹鋼形變馬氏體，其磁場強(qiáng)度 （H）與馬氏體的含量 （MC）存在有H＝-1.53666＋1.42423MC的關(guān)系，馬氏體轉(zhuǎn)變量（f）與鐵素體測量值 （x）存在著f＝1.67x＋1.48的關(guān)系”；即馬氏體越多，硬度越高，磁場強(qiáng)度越大；馬氏體越多，鐵素體測出值越大。

2.2 裂紋生成分析

從無損檢測圖2的裂紋特征、開裂材質(zhì)的金相檢驗、以及設(shè)備使用環(huán)境工況綜合分析得出裂紋為奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂。

奧氏體不銹鋼在含有氯離子的溶液中，因氯離子半徑小，穿透鈍化膜的能力強(qiáng)，電負(fù)性又很大，在有拉應(yīng)力的作用下，鈍化膜遭到破壞產(chǎn)生裂紋。特別是在殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加后，處于高應(yīng)力區(qū)域的薄弱部位首先產(chǎn)生裂紋，并在裂紋區(qū)域伴隨形成腐蝕電池的陽極。在溶解氧的作用下，電化學(xué)腐蝕連續(xù)不斷的進(jìn)行，裂紋縫隙內(nèi)氯離子不斷產(chǎn)生濃縮。裂紋尖端氯離子濃度越來越高，腐蝕速度越來越快，裂紋迅速得到擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料破裂、介質(zhì)泄漏。

2.2.1 拉應(yīng)力的產(chǎn)生

產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的拉應(yīng)力主要來自封頭冷成型加工和焊接的殘余應(yīng)力，以及工作載荷的作用力和結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力、熱應(yīng)力等，裝置生產(chǎn)時設(shè)備受到這些應(yīng)力的疊加組合應(yīng)力作用。

2.2.2 氯離子來源

該設(shè)備工作介質(zhì)為調(diào)和循環(huán)水，循環(huán)水由鍋爐給水供給，鍋爐給水中含有一定量的氯離子Cl-。雖然從取樣分析的報告中氯離子0.08mg／L并未達(dá)到發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的有害程度，但氯離子半徑小，電負(fù)性大，不易揮發(fā)、不易析出，吸附在不銹鋼表面，使不銹鋼鈍化膜遭到破壞，產(chǎn)生裂紋，形成腐蝕電池，連續(xù)不斷的電化學(xué)腐蝕，在裂紋縫隙尖端氯離子濃縮、腐蝕加劇，裂紋得到快速擴(kuò)展。

據(jù)資料介紹：氯化物應(yīng)力腐蝕開裂一般在30×10-6以上，但少數(shù)比較敏感的材料，如304鋼可能幾個10-6甚至更低的濃度就會腐蝕開裂。

3 事故設(shè)備的處理

裝置需盡快恢復(fù)生產(chǎn)，但設(shè)備因受到應(yīng)力腐蝕，其材料性能已不能恢復(fù)，故而采取邊修復(fù)受損設(shè)備邊訂購新設(shè)備的處理，在設(shè)備修復(fù)后的使用采取監(jiān)控運行處理。新訂購的設(shè)備補(bǔ)充了封頭成形后恢復(fù)材料性能的固溶處理，組裝焊接嚴(yán)格控制焊接工藝規(guī)程、控制線能量、控制層間溫度、先焊外面后焊里面減少內(nèi)壁焊縫重復(fù)加熱、焊后快速冷水冷卻、減少或避免焊縫返修次數(shù)、降低焊接殘余應(yīng)力等的技術(shù)處理。

新設(shè)備投用一年后曾進(jìn)行首次開罐檢驗，現(xiàn)已使用了四年多，進(jìn)行了再次開罐檢驗，均未發(fā)現(xiàn)有裂紋缺陷的生成。

4 應(yīng)力腐蝕環(huán)境壓力容器開裂預(yù)防

應(yīng)力腐蝕破裂通常在工作載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料抗拉強(qiáng)度、工作介質(zhì)腐蝕性很輕微、設(shè)備沒有變形、沒有任何征兆間突然發(fā)生破裂，其往往被疏于防范，釀成事故。故此，應(yīng)力腐蝕環(huán)境下使用的壓力容器應(yīng)該必須有預(yù)防措施，并且其預(yù)防措施必須前置到設(shè)計、制造階段。發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂有三個必須條件即敏感的金屬材料、拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)同時存在。材料由設(shè)計選定，應(yīng)力由設(shè)計結(jié)構(gòu)和制造方法、制造工藝產(chǎn)生，腐蝕介質(zhì)由使用設(shè)備生產(chǎn)工藝所決定。

所以，應(yīng)力腐蝕環(huán)境下使用的壓力容器應(yīng)將應(yīng)力腐蝕開裂預(yù)防前置于設(shè)計、制造。在設(shè)計前充分考慮壓力容器在使用中可能出現(xiàn)的損傷及失效模式，選用合適的耐蝕材料、設(shè)計出低應(yīng)力水平的結(jié)構(gòu)，規(guī)定制造、提出措施要求；制造按設(shè)計規(guī)定完善制造工藝、控制加工工藝、規(guī)范焊接和熱處理操作，制造出材料性能不降低、殘余應(yīng)力不高的合格產(chǎn)品。在壓力容器使用中加強(qiáng)工藝指標(biāo)控制、減少波動，定時分析腐蝕組分成分，加強(qiáng)檢查，定期開蓋檢驗，及早發(fā)現(xiàn)缺陷及時消除。

5 結(jié)語

不銹鋼壓力容器的應(yīng)力腐蝕破壞一般是在沒有任何明顯變形、沒有任何征兆的情況下突然發(fā)生的破壞，其帶來的社會影響極大，預(yù)防和及早發(fā)現(xiàn)及時消除是遏制事故、減少事故的有效措施。

為避免和減少應(yīng)力腐蝕破壞事故發(fā)生，保護(hù)人民生命和財產(chǎn)安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，對此起事故原因分析后，本人認(rèn)為壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂的預(yù)防有必要前置于設(shè)計、制造，其對化工企業(yè)安全生產(chǎn)具有極其重要的作用。