奧氏體不銹鋼容器開裂原因分析及預(yù)防措施

杜立劍，南 斌，李 祚

中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心 （陜西 西安 710018）

1 容器基本概況

1.1 吸收氧化反應(yīng)器簡介

2014年4月對(duì)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(yīng)器進(jìn)行定期檢驗(yàn)（圖1）。吸收氧化反應(yīng)器是硫磺回收裝置中的核心設(shè)備，主要作用是將含有H2S的酸氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，生產(chǎn)固態(tài)硫[1]。

圖1 硫磺回收裝置

1.2 容器基本資料

材質(zhì)：奧氏體不銹鋼S30403(00Cr19Ni10)；

工作介質(zhì)：酸性氣體、化學(xué)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(nèi)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(yàn)，屬于按檢驗(yàn)規(guī)則進(jìn)行的首次全面檢驗(yàn)，檢驗(yàn)前設(shè)備運(yùn)行正常，未出現(xiàn)過異常情況。針對(duì)該容器的材質(zhì)和介質(zhì)易產(chǎn)生裂紋的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行了滲透檢測，發(fā)現(xiàn)容器筒體對(duì)接焊縫熱影響區(qū)及容器內(nèi)隔板與筒體連接的角焊縫熱影響區(qū)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(nèi)部擴(kuò)展，大部分裂紋深2～4mm；筒體對(duì)接焊縫熱影響區(qū)有兩裂紋近乎穿透金屬母材（圖3），容器開裂情況相當(dāng)嚴(yán)重。

圖2 角焊縫

圖3 對(duì)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(huán)境中，所選用的奧氏體不銹鋼具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，且具有優(yōu)良的耐腐蝕性。但奧氏體不銹鋼容器，由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)，具有很高的應(yīng)力腐蝕敏感性，具體分析如下：

1）應(yīng)力是應(yīng)力腐蝕開裂的重要因素。奧氏體鋼由于導(dǎo)熱性差和線膨脹系數(shù)大，在約束焊接變形時(shí)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(yīng)力高達(dá)210～280MPa。而引起奧氏體鋼滑移的應(yīng)力水平大約為0.2～0.3MPa，即可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂[2-3]。

2）材料是應(yīng)力腐蝕開裂的主要因素。奧氏體不銹鋼在焊接時(shí)焊縫和熱影響區(qū)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(yīng)生成Cr23C6并析出，因此在焊接接頭金屬的晶間容易出現(xiàn)貧鉻區(qū)。而鉻含量是確保不銹鋼抗腐蝕性的重要指標(biāo)，由于這種貧鉻使晶間不能抵抗某些介質(zhì)的侵蝕，貧鉻區(qū)往往優(yōu)先發(fā)生晶間腐蝕[4]。

3）介質(zhì)環(huán)境是應(yīng)力腐蝕開裂的敏感因素。奧氏體不銹鋼容器在高溫硫化環(huán)境下，會(huì)在表面發(fā)生反應(yīng)形成FeS，當(dāng)容器表面降溫或冷卻到室溫時(shí)，F(xiàn)eS與空氣中的O2和H2O繼續(xù)反應(yīng)，生成連多硫酸（H2SXO6，X=3、4、5）。 其化學(xué)方程式如下：

該奧氏體不銹鋼容器在連多硫酸和殘余應(yīng)力共同作用下發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。此應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理是貧鉻區(qū)陽極溶解，陰極反應(yīng)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(chǎn)生晶間腐蝕，因而常發(fā)生在受到敏化作用的焊接熱影響區(qū)[5]。

3 預(yù)防措施

在容器正常運(yùn)行時(shí)，由于是封閉的，不易發(fā)生這種開裂。而當(dāng)容器停產(chǎn)以后被打開，含水和氧氣的空氣進(jìn)入容器內(nèi)，才達(dá)到反應(yīng)的條件。因此為了預(yù)防此類腐蝕開裂的產(chǎn)生，建議如下：

1）使用含Ti、Nb等穩(wěn)定元素的奧氏體不銹鋼材料，以預(yù)防貧鉻區(qū)的產(chǎn)生。

2）容器在停用后，應(yīng)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(jī)械方法錘擊消除由焊接和加工引起的殘余應(yīng)力。

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

[1]強(qiáng)天鵬.壓力容器檢驗(yàn)[M].北京：新華出版社，2008.

[2]王曉雷.承壓類特種設(shè)備無損檢測相關(guān)知識(shí)[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)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(yàn)規(guī)則[S]

[5]TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S]