奧氏體不銹鋼壓力容器裂紋分析及處理

劉福才張以勇袁玲楊揚(,.沈陽東方鈦業(yè)股份有限公司 ,.京鼎工程建設有限公司)

前言

隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，國內大型項目的不斷建設和相繼投產，如大型PTA項目，丁基橡膠項目等，化工設備使用奧氏體不銹鋼的情況也越來越多，用量也越來越大，但不銹鋼設備出現(xiàn)裂紋失效的事例也越來越多。對這些裂紋失效事例進行分析，認清其產生機理，采取相應措施，提高不銹鋼壓力容器設計水平，減少裂紋事故的發(fā)生，具有重要的經濟效益和社會效益。

奧氏體不銹鋼制壓力容器是化學工業(yè)中的常用設備，其工作環(huán)境多具有低溫或高溫、高壓及腐蝕性強等的特點。如果設備存在裂紋等缺陷，在運行過程中隨時有可能擴展引起容器破裂，影響正常生產，甚至給生命和財產帶來危害。

本文針對奧氏體不銹鋼出現(xiàn)的兩種裂紋，并結合我公司設計的某不銹鋼壓力容器出現(xiàn)的裂紋，對其產生機理進行分析。

一、氫致裂紋

奧氏體不銹鋼制作的容器，因采用的加工制作方法不同，在加工過程中可能會出現(xiàn)表層的冷加工硬化，使用過程中在有氫分壓的介質中可能會出現(xiàn)氫致裂紋。

我公司簽訂的多晶硅項目，其中硅烷分離罐就是采用S30408制造的低溫容器，其設計壓力為1.379/-0.1Mpa,設計溫度為148.9/-170.6℃，介質為硅烷、氫氣等，設備上封頭采用14mm厚的鋼板冷旋壓成形。

1.封頭裂紋的發(fā)現(xiàn)

該設備在制造廠經壓力試驗合格后運至現(xiàn)場進行安裝，系統(tǒng)安裝完畢后于2010年10月13號通入常溫狀態(tài)氫氣進行系統(tǒng)吹掃，于2010年10月15日開始利用上游液氮換熱器將氫氣逐步降溫，溫度降至

-500C時，進行檢查發(fā)現(xiàn)該設備上封頭出現(xiàn)2處裂紋，立即緊急停車，此時溫度在-500C～-600C，整個過程壓力始終在0.627MPa。該封頭裂紋位于母材區(qū)垂直于環(huán)焊縫的軸向裂紋，如圖1(圖示1#，2#)，裂紋一端達于焊趾，但是沒有進入焊縫區(qū)。裂紋貫穿壁厚，呈較規(guī)整的直線形，兩裂紋之間距離200mm左右。1#裂紋外表面觀測長度40mm，內壁觀測長度22mm；2#裂紋外表面觀測長度27mm，內壁觀測長度12mm。

圖1 封頭裂紋圖片

2.裂紋分析

為弄清設備裂紋產生的原因，我公司委托具有檢測資質的單位對封頭進行裂紋檢測，根據(jù)檢測結果從以下幾個方面對裂紋進行分析：

(1)材料化學成分

根據(jù)制造單位提供的材質證明，材料符合GB/T4237-92的相關規(guī)

定，不存在材料使用方面的問題。

(2)金相及馬氏體含量定性定量

對裂紋面斷口的形貌進行分析，裂紋是從內表面距離熔合線(焊趾)5.5～6mm的位置起裂，并向外表面和封頭方向擴展，裂紋沒有擴展進入焊縫區(qū)。整個裂紋表面比較清潔，沒有腐蝕。分析結果表明裂紋具有低應力脆性裂紋特征，起裂位置在距離焊縫約6mm的熱影響區(qū)。而裂紋面斷口附近的內表面則沒有明顯的腐蝕和其它異常缺陷。

根據(jù)裂紋的起裂位置，對裂紋附近的內壁和焊縫附近進行金相組織分析。通過金相分析發(fā)現(xiàn)，內壁和焊縫區(qū)的金相組織為奧氏體，有少量鉻化物析出，沿晶界網狀分布，而在熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)了孿晶奧氏體和大量誘導應變馬氏體。通過馬氏體含量的定量分析檢測，熱影響區(qū)母材馬氏體含量為35.8%；而且裂紋處磁性也最強，也說明含有大量的應變誘導馬氏體。

(3)封頭內壓力引起的應力

圖紙給定封頭名義厚度12mm，不含加工減薄量。假設加工減薄量為12%，材料的厚度附加量為0.8mm，使用14mm厚的鋼板冷旋壓成形，則加工成形后封頭的厚度δ為：

設計溫度下材料的許用應力為137MPa，則根據(jù)標準橢圓封頭的計算公式(GB150)計算使用壓力引起的內應力σ：

封頭實際計算出的內應力12.27MPa遠低于材料強度137MPa，因此也排除了由強度超載引起的開裂。

從上述各項結果和裂紋形貌分析，裂紋是無變形的脆性開裂，屬于低應力裂紋，與母材組織和工作介質有關，從斷口特征分析具有氫致脆性開裂的特征。而且對此處材料的硬度測試結果發(fā)現(xiàn)此處母材硬度達到HB400左右，估算材料強度達到1100MPa以上(標準中0Cr18Ni9材料的硬度為小于等于HB187，抗拉強度為520MPa)，雖然強度很高，但其脆性更大，對使用環(huán)境變得更加敏感，特別是氫致脆性環(huán)境。

封頭開裂是在氫氣環(huán)境下發(fā)生的，而發(fā)生開裂的位置正是封頭加工變形最嚴重、應變誘導馬氏體量最多、硬度最高的組織區(qū)域；該位置也是結構應力(內壓形成的拉應力，冷縮形成的拉應力)相對較大的位置，裂紋的方向垂直最大拉應力方向，符合氫致開裂的情況，氫氣環(huán)境下的氫是通過下列過程進入到材料中的：碰撞-吸附-分解-原子氫溶解到金屬中-擴散，氫向材料內擴散的驅動力是晶格畸變造成的內應力、外加張應力等。

綜上所述，此封頭的裂紋屬于氫致裂紋。

(4)封頭制造工藝分析

從上文分析看出，封頭開裂是由于材料在冷旋壓加工過程中形成大量應變誘導馬氏體，組織硬度過高，使材料對氫變的敏感所致。也就是說封頭制造過程質量控制有問題。由于該封頭采用S30408材料，封頭制造工藝沒有明確提出進行消除應力處理，封頭制造廠家采用冷旋壓制作工藝制造封頭后沒有經過固溶處理。封頭在加工變形最嚴重的位置出現(xiàn)組織改變，給裂紋的形成提供了誘因，即材料經冷加工變形誘發(fā)部分奧氏體轉變?yōu)轳R氏體使鋼材的低溫脆性傾向增加。

3.處理措施

基于以上該類裂紋的產生原因分析，在設備設計及制造中可采取相應的措施，消除其產生的必要條件，可以從以下幾個方面考慮：

(1)結構尺寸設計上：適當增加厚度減小應力(但要控制在變形率15%范圍內，設計溫度低于-1000C時變形率控制在10%范圍內)；

(2)加工方式選擇：優(yōu)先采用沖壓或滾壓工藝；冷成形后進行表面硬度測定(控制硬度＜HB235)；

(3)設計溫度低于-700C的冷成形封頭，當介質中的氫分壓大于或等于0.6MPa，進行固溶處理；

(4)進行熱處理：對硬度超過HB235或沖壓后的封頭進行固溶處理。

在本項目中，針對該設備上封頭裂紋的產生特征，采用成形后固溶處理措施重新制造封頭，之后重新焊接，進行射線檢測和水壓試驗，合格后重新安裝?，F(xiàn)經1年多的使用，工作正常，未再出現(xiàn)該類裂紋。

二、應力腐蝕開裂

應力腐蝕開裂是另一類常見的不銹鋼裂紋。

我公司2006年承建的某橡膠生產線的設計項目，其中有三臺280 m3的S30408不銹鋼球罐，該球罐內徑8200mm，設計壓力0.6/-0.1MPa，設計溫度100℃，最高工作壓力為0.42MPa，操作溫度為70℃，介質為丁二烯(19%)、苯(63.3%)、丁二烯橡膠(16%)、水(1.7%)等，設備本體材料厚度16mm。設備上方帶有攪拌裝置，考慮到運行中存在疲勞載荷，設計時球罐上方攪拌器連接部位采用局部應力分析設計，并要求水壓試驗時水中氯離子的含量不超過25mg/L，試驗合格后立即去除水漬并吹干。

1.球罐裂紋的發(fā)現(xiàn)

該球罐于2008年投入生產，2010年開罐檢查時發(fā)現(xiàn)焊縫和熱影響區(qū)出現(xiàn)表面裂紋，裂紋走向垂直于焊縫方向，見圖2。

2.裂紋分析

針對該設備出現(xiàn)的裂紋，從材料成分、設計、工藝等方面對其產生原因進行了分析：

圖2 不銹鋼球罐焊縫和熱影響區(qū)的裂紋

(1)材料化學成分分析

根據(jù)制造單位提供的材質證明，材料符合GB/T4237-92的相關規(guī)定，不存在材料使用方面的問題。

(2)設計分析

根據(jù)強度計算，球罐各帶的計算壁厚分別為：10.4 mm、11.2 mm、11.3 mm，考慮到加工減薄量及制造能力，經過咨詢球罐制造單位，最終確定球罐的壁厚為16 mm，滿足強度要求同時也便于加工成形。另外，考慮到球殼板制造過程中變形量不是很大，因此未提出焊后固溶處理要求。設計方面也不存在設計失誤的問題。

(3)制造工藝分析

根據(jù)制造單位提供的制造工藝、質量檢查記錄單、無損檢測報告，A類焊縫538張，無B類焊縫，底片評定結果中I級片503張、II級片63張，檢測結果均為合格，滿足設計規(guī)定的“對接焊縫按JB4730.2-2005檢測II級合格”的要求，制造工藝上也無明顯問題。

(4)設備介質的檢測

對設備內儲存的介質進行成分檢測，結果表明設備在運行過程中存在氯離子腐蝕，氯離子含量高達200mg/L。

氯離子對奧氏體不銹鋼腐蝕作用很大，一般氯離子濃度在30ppm以上，即可對其造成腐蝕，甚至如304不銹鋼在幾個ppm濃度下就會出現(xiàn)應力開裂。在有溶解氧的情況下會加速腐蝕。而且大多數(shù)奧氏體不銹鋼應力腐蝕均發(fā)生在75℃以上。應力腐蝕的破裂方向一般與應力的作用垂直，并呈樹枝狀擴展。

在應力的作用下，使金屬內部穩(wěn)定的組織發(fā)生破壞，導致晶粒在應力方向產生位錯而形成滑移臺階，這些滑移臺階的構成給氯離子帶來了吸附和滲透的機會。

不同奧氏體不銹鋼的耐氯離子腐蝕能力差別很大，超純鐵素體不銹鋼和雙相不銹鋼具有較強的耐氯化物腐蝕能力。

綜合以上分析，根據(jù)裂紋出現(xiàn)的位置為熱影響區(qū)和焊縫區(qū)，且球罐內容物存在較高濃度的奧氏體不銹鋼所敏感的氯離子，該裂紋的出現(xiàn)屬于應力腐蝕裂紋所致。

應力腐蝕，是在拉伸應力和腐蝕介質的聯(lián)合作用下而引起的低應力脆性斷裂。其產生具有一定的特點：

(1)需有拉應力的存在；

(2)需有特定的腐蝕介質環(huán)境，如：不銹鋼在含有氧的氯離子的腐蝕介質或H2SO4、H2S、堿液等溶液中才容易發(fā)生應力腐蝕，并與腐蝕介質的濃度有關；

(3)一般在合金、碳鋼中易發(fā)生應力腐蝕。

本項目中球罐存在明顯的拉伸應力，主要來源有：

(1)外載荷引起的容器的拉應力。

(2)容器在制造過程中產生的各種殘余應力，如裝配過程中產生的裝配殘余應力，制造過程中產生的焊接殘余應力。

本例中應力腐蝕失效首先表現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū)，繼而向焊縫中心和母材兩側擴展。奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)是鐵素體鋼的1.35倍，因此焊接冷卻時，熔池內受收縮作用的影響，將產生較大的收縮變形和一定的拉應力，而且奧氏體不銹鋼的敏化溫度為650℃，如焊后不立即進行快速冷卻處理，焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)也會因為貧鉻而導致腐蝕電位降低，使氯離子容易在該部位吸附，更容易發(fā)生腐蝕開裂。

3.處理措施

根據(jù)以上的裂紋產生原因分析，針對用于應力腐蝕風險場合的設備，在設計和制造時應從以下幾點考慮：

(1)設計選材上用選用超低碳、高Cr、Ni合金的材料，如采用超低碳的304L，316L，或耐腐蝕的雙相鋼等。

(2)焊接時采用一定的措施盡量減少焊接殘余應力，比如選用較細的焊絲或焊條，采用較小的電流；盡量避免因焊接質量而返修等。

(3)焊接完成后對每道焊縫進行捶擊釋放制造過程中的殘余應力，捶擊要注意力度，且要墊上防護木板保護；捶擊后再次進行滲透或超聲檢測，確保焊縫質量。

(4)條件允許的情況下，或設備應用于嚴格的場合，則給出奧氏體不銹鋼的熱處理方案，一般情況下，875℃的穩(wěn)定化處理對奧氏體不銹鋼的耐應力腐蝕性能是很有幫助的。

本項目中出現(xiàn)應力腐蝕裂紋，幾乎遍布每條焊縫及其熱影響區(qū)，完全修復的難度很大，另外還需要改進生產工藝來減少氯離子，需要較多的時間和資金再投入，因此，修復現(xiàn)有設備并改進工藝并不經濟；另外對于大型球罐，采用焊后熱處理方法也不易實現(xiàn)。為保證安全生產，最終的處理措施為重新設計制造新罐，并吸取經驗而將罐體材料改為S22253(ASME S31803)雙相鋼。目前新罐已投入使用1年左右，運轉正常，檢查中未再發(fā)現(xiàn)應力腐蝕裂紋。

對本項目的裂紋分析表明，奧氏體不銹鋼雖然具有很高的耐腐蝕性和良好的機械性能，但在冷成形過程中如變形率過大，產生表層冷加工硬化或微裂紋，在裝配和焊接過程中存在殘余應力等，則在使用過程中，遇到相應的腐蝕介質，就會使得容器發(fā)生腐蝕，腐蝕擴展導致裂紋等破壞。對于此類設備在設備選材時必須要充分考慮設備內容物的影響，結構設計及焊接制造時應考慮盡量減少拉伸應力及殘余應力；必須充分了解設備內容物的詳細成分，并在運行中嚴格控制不利因素的影響。

結束語

奧氏體不銹鋼的應用范圍很廣，而應力腐蝕、冷加工硬化后的低溫脆性傾向增加、易產生晶間腐蝕等各種腐蝕破壞也在應用中頻繁出現(xiàn)。所以我們在使用過程中應根據(jù)具體的環(huán)境條件，在選材、設計和制造工藝、檢驗等上要高質量、嚴要求，采取適當?shù)拇胧?，使得很多奧氏體不銹鋼易出現(xiàn)的問題盡量避免。從源頭抓起，杜絕隱患。

[1]國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布，2012年2月，GB150.1～GB150.4-2011《壓力容器》，中國標準出版社出版.

[2]東南大學戴枝榮主編，1997年7月，《工程材料》，高等教育出版社出版.

[3]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會，2005年5月，《壓力容器設計工程師培訓教程》.

[4]王志文、張而耕，奧氏體不銹鋼使用中值得注意的幾個問題，化工機械，2002.

[5]李曉華、監(jiān)青占、于紅玉，應力腐蝕的機理及預防措施，科技風，2011.

[6]中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2011年7月，HG20584-2011《鋼制化工容器制造技術》.HG20585-2011《鋼制低溫壓力容器技術規(guī)定》.中國計劃出版社出版.