聯(lián)堿生產(chǎn)用變換氣氨Ⅱ管的失效分析及預(yù)防措施

余福東

（ 德陽(yáng)市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 四川德陽(yáng) 618000）

引 言

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備的失效將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的事故，甚至?xí)斐芍卮蟮纳鼮?zāi)難和財(cái)產(chǎn)損失，給企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也會(huì)造成驚人的間接損失，如：失效迫使企業(yè)停產(chǎn)或減產(chǎn)、引起其他關(guān)聯(lián)企業(yè)停產(chǎn)或減產(chǎn)、對(duì)企業(yè)信譽(yù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力造成損傷。奧氏體不銹鋼作為化工生產(chǎn)中常用的管道設(shè)備，經(jīng)常在腐蝕性介質(zhì)中工作，容易發(fā)生失效事故,應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂更是最常見(jiàn)的失效方式，約占所有腐蝕失效事故的80%以上[1]。然而應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂部位一般不會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，不易發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生失效，常給企業(yè)帶來(lái)重大的財(cái)產(chǎn)和人員傷亡，造成不可估量的損失。

本文通過(guò)對(duì)四川廣宇化工有限公司的失效設(shè)備進(jìn)行分析，針對(duì)設(shè)備失效的原因采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，可以防止事故的發(fā)生，保證企業(yè)設(shè)備的正常安全運(yùn)行。

1 奧氏體不銹鋼及常見(jiàn)腐蝕類型

本次發(fā)生泄漏失效的變換氣氨Ⅱ管所用的材料牌號(hào)為 0Cr18Ni9，是一種常見(jiàn)奧氏體不銹鋼舊牌號(hào)。奧氏體不銹鋼常見(jiàn)的腐蝕類型有銹蝕、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等，其中可能導(dǎo)致設(shè)備失效的主要腐蝕有點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕及縫隙腐蝕。

1.1 0Cr18Ni9特性

0Cr18Ni9，是一種常見(jiàn)奧氏體不銹鋼材料，當(dāng)前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》（GB/T20878-2007）規(guī)定其統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)為S30408，對(duì)應(yīng)的新牌號(hào)為06Cr19Ni10，其對(duì)應(yīng)的國(guó)外牌號(hào)主要為S30400、304、TP304等。

0Cr18Ni9的使用溫度可從-196℃至800℃。該鋼材具有奧氏體不銹鋼的所有優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于其他奧氏體材料，其價(jià)格低廉，是目前承壓設(shè)備中最常見(jiàn)、使用量最大、使用范圍最廣的奧氏體不銹鋼材料，廣泛應(yīng)用于建筑、化工、食品、制藥等領(lǐng)域。其在承壓設(shè)備中主要用于以下三個(gè)方面：一是制藥、食品、衛(wèi)生消毒等對(duì)潔凈度或純度要求比較高的行業(yè)，常用于制造反應(yīng)釜、攪拌釜、殺菌釜、蒸壓釜、滅菌鍋以及與之相連接的容器及管道，通常該類設(shè)備工作壓力不高、容積也不大，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行拋光處理，對(duì)外觀要求很高；二是介質(zhì)具有腐蝕性的場(chǎng)合，經(jīng)常會(huì)選用該類材料；三是適用于高、低溫工況，由于其具有優(yōu)良的低溫性能，目前如液氬、液氧、液氮等低溫介質(zhì)的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、輸送設(shè)備通常都會(huì)選用該材料。

該不銹鋼具有良好的可焊性，母材在焊接過(guò)程中一般不發(fā)生組織變化。在承壓設(shè)備制造中常采用焊條電弧焊、埋弧焊、非熔化極氣體保護(hù)焊（如氬弧焊）這三種焊接方法，焊接后接頭具有良好的塑性和韌性。因膨脹系數(shù)大約是低碳鋼的1.35倍，導(dǎo)熱系數(shù)約為低碳鋼的1/3，焊接變形較大，一般使用小電流快速焊[2]。其屬于Cr18Ni8類奧氏體不銹鋼，焊縫金屬的結(jié)晶模式為先δ鐵素體模式，焊縫金屬凝固后，焊縫中都會(huì)存在一定數(shù)量的δ鐵素體，且鐵素體的含量會(huì)受到焊接工藝和熱處理工藝的影響。由于鐵素體可以溶解Nb、Si、P、S等元素，阻止焊縫中產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶物，有利于減少焊縫熱裂和微裂紋敏感性[3]。此外，鐵素體可以打亂奧氏體柱狀晶和樹(shù)枝晶的方向性，阻止奧氏體晶界上連續(xù)網(wǎng)狀碳化鉻的析出；適量的鐵素體能夠降低焊縫發(fā)生晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕的可能性。因此奧氏體不銹鋼焊縫中最好含有適量的鐵素體組織[4]。但是過(guò)量的鐵素體也會(huì)給焊縫的性能帶來(lái)不利的影響，會(huì)造成焊縫的耐點(diǎn)腐蝕能力下降，在某些腐蝕環(huán)境（如尿素生產(chǎn)）中耐蝕性劣化，在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)鐵素體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)棣蚁鄬?dǎo)致材料脆化。

1.2 點(diǎn)腐蝕

（1）腐蝕機(jī)制 金屬材料在某些特定的環(huán)境下，經(jīng)一段時(shí)間后，會(huì)在金屬表面局部地方出現(xiàn)向材料深處擴(kuò)展的腐蝕小孔，這種腐蝕現(xiàn)象稱為點(diǎn)腐蝕，亦稱為點(diǎn)蝕、小孔腐蝕、孔蝕。點(diǎn)腐蝕是一種常見(jiàn)的電化學(xué)腐蝕形式，其小陽(yáng)極和大陰極的結(jié)構(gòu)使孔內(nèi)材料的溶解速度很大，有可能使設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生腐蝕穿孔。點(diǎn)腐蝕從萌生到暴露會(huì)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的誘導(dǎo)期，在應(yīng)力的作用下，點(diǎn)腐蝕常成為應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞的開(kāi)裂源，它造成的破壞事故僅次于應(yīng)力腐蝕[5]。

通常認(rèn)為點(diǎn)腐蝕過(guò)程包括蝕孔的萌生（成核）和蝕孔的生長(zhǎng)兩個(gè)階段。點(diǎn)腐蝕的萌生是指局部鈍化膜受到破壞的過(guò)程。根據(jù)現(xiàn)有模型及理論，一般認(rèn)為金屬表面存在的不均勻或不完整的位置比其他地方更容易從周圍介質(zhì)中吸附各種物質(zhì)，而離子也更容易從這些位置透過(guò)氧化膜。當(dāng)金屬表面上吸附侵蝕性陰離子后，隨著該位置的金屬逐漸失去電子和侵蝕性陰離子不斷向該位置轉(zhuǎn)移，陰離子開(kāi)始與金屬發(fā)生水解反應(yīng)并形成侵蝕性環(huán)境，隨后開(kāi)始局部地侵蝕金屬基體，從而導(dǎo)致點(diǎn)腐蝕的萌生。當(dāng)蝕核形成后一般會(huì)繼續(xù)成長(zhǎng)，當(dāng)它長(zhǎng)大到臨界尺寸（孔徑≥30μm）時(shí)就成為孔蝕源頭，源頭形成后會(huì)加速生長(zhǎng)，發(fā)展為蝕孔[6]。目前大家較認(rèn)可的點(diǎn)腐蝕擴(kuò)展機(jī)理是：蝕孔內(nèi)發(fā)生閉塞(腐蝕)電池的自催化理論[7～8]。

（2）主要特征 點(diǎn)腐蝕小孔可能是孤立的單個(gè)孔坑，也有可能是密集斑點(diǎn)，當(dāng)點(diǎn)腐蝕孔比較分散時(shí)，會(huì)出現(xiàn)陰陽(yáng)極面積比很高的情況，導(dǎo)致腐蝕孔朝深度方向快速擴(kuò)展，危害性較大。點(diǎn)腐蝕口常覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，有呈閉口型的，也有呈開(kāi)口型的[9]。閉口型的孔口一般覆蓋有半滲透性的腐蝕產(chǎn)物，檢查中不易被發(fā)現(xiàn)。開(kāi)口型的蝕孔表面無(wú)覆蓋物，檢查時(shí)易被發(fā)現(xiàn)。點(diǎn)腐蝕剖面形態(tài)主要有窄深形、橢圓形、寬淺形、皮下形、底切形、水平形、垂直形以及前述基本形狀的復(fù)合形狀。常見(jiàn)的點(diǎn)腐蝕的剖面形狀見(jiàn)圖1。

圖1 點(diǎn)腐蝕各種剖面形貌[10]

（3）主要影響因素 點(diǎn)腐蝕的影響因素有很多，它不僅與金屬材料的組織、化學(xué)成分、表面狀態(tài)、冶煉水平有關(guān)，還與材料所處的腐蝕介質(zhì)濃度、介質(zhì)成分、工作溫度、pH值、介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)等因素有關(guān)。

（4）防護(hù)方法 點(diǎn)腐蝕的防護(hù)可以采取以下措施：如陰極保護(hù)法、改善介質(zhì)條件、加入緩蝕劑、改善合金成分等。此外，在使用過(guò)程中應(yīng)盡可能地使腐蝕體系維持在較低的溫度，在加工過(guò)程中采用合理的工序及工藝，防止生成沉淀硬化相等都能有效防止點(diǎn)腐蝕的發(fā)生[11]。

1.3 縫隙腐蝕

（1）腐蝕機(jī)制 縫隙腐蝕是點(diǎn)腐蝕的一種特殊形態(tài)。這類腐蝕通常發(fā)生在有電解液存在的金屬與金屬、金屬與非金屬之間構(gòu)成的狹窄縫隙內(nèi)，如不銹鋼設(shè)備中法蘭的連接處，墊圈和襯板處、換熱管與管板間等由于設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)原因而形成的縫隙，或由于未焊透、未熔合、污染物、氧化物等原因形成的縫隙。其破壞形態(tài)為溝縫狀，嚴(yán)重時(shí)可造成腐蝕穿透。目前，大家較能接受的機(jī)理是：由于縫隙內(nèi)外的氧濃度不同，在氧濃度差的作用下發(fā)生腐蝕，并形成侵蝕性環(huán)境，隨后在縫隙內(nèi)發(fā)生自催化酸化反應(yīng)，導(dǎo)致縫隙腐蝕加速進(jìn)行。

（2）主要特征 發(fā)生縫隙腐蝕的對(duì)象比較廣，幾乎所有的金屬或合金都會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕，幾乎所有腐蝕介質(zhì)都會(huì)引起金屬縫隙腐蝕。但縫隙腐蝕的發(fā)生對(duì)縫隙尺寸及縫隙內(nèi)的介質(zhì)流動(dòng)都有要求，只有當(dāng)金屬與非金屬、金屬與金屬間的縫隙寬度在0.025～0.25 mm內(nèi)，介質(zhì)能滯留在縫內(nèi)時(shí)，才會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕，發(fā)生縫隙腐蝕的臨界電位低于發(fā)生點(diǎn)腐蝕的臨界電位[11]。

（3）主要影響因素 間隙的寬度、深度等幾何形狀對(duì)縫隙腐蝕有很大的影響，當(dāng)縫隙寬度為0.10～0.12 mm時(shí)，縫隙腐蝕深度最大，當(dāng)縫隙寬度大于0.25 mm時(shí)，通常不會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕。此外，環(huán)境因素（如鹵素離子、氧濃度、pH值、介質(zhì)溫度和流速）對(duì)縫隙腐蝕也有很大的影響。

（4）防護(hù)方法 在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)盡量避免形成縫隙，設(shè)計(jì)上可以采用耐縫隙腐蝕能力較強(qiáng)的金屬材料，使用中可以采用電化學(xué)保護(hù)或添加緩蝕劑的辦法減緩縫隙腐蝕速率。

1.4 應(yīng)力腐蝕

（1）腐蝕機(jī)制 應(yīng)力腐蝕是指金屬在特定的介質(zhì)條件下，受拉應(yīng)力作用，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后產(chǎn)生裂紋或發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是最常見(jiàn)的一種失效形式，幾乎所有的金屬材料都有可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，應(yīng)力腐蝕與疲勞和低應(yīng)力脆斷是當(dāng)今工程斷裂事故的三種主要失效形式[12]。

由于應(yīng)力腐蝕涉及面太廣，同時(shí)受研究人員知識(shí)面、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和其他學(xué)科技術(shù)的限制，導(dǎo)致分析結(jié)果具有片面性和局限性。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了大量研究并提出了許多學(xué)說(shuō)或設(shè)想，但始終沒(méi)有一個(gè)完善而統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。目前，在眾多的腐蝕機(jī)理中，主要可以分為兩大類型，即陽(yáng)極溶解型和氫致開(kāi)裂型[13～16]。陽(yáng)極溶解型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂理論認(rèn)為裂紋尖端是陽(yáng)極區(qū)，陽(yáng)極的快速溶解在腐蝕開(kāi)裂中占據(jù)主導(dǎo)地位。陽(yáng)極溶解型的機(jī)理主要包括滑移溶解模型、擇優(yōu)溶解理論、鈍化膜致脆理論、腐蝕促進(jìn)局部塑性變形導(dǎo)致脆斷理論、活性通道理論、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)致裂理論等。氫致開(kāi)裂型理論認(rèn)為裂紋尖端為陰極，開(kāi)裂以陰極反應(yīng)為主。陰極反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氫原子，氫原子擴(kuò)散到裂縫尖端的金屬內(nèi)部并導(dǎo)致該區(qū)域金屬的脆性增加，并在拉應(yīng)力作用下萌生氫致裂紋形并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致發(fā)生脆性斷裂。目前普遍認(rèn)為金屬脆性增加是由于氫原子進(jìn)入金屬后降低了裂紋前緣金屬原子鍵的結(jié)合力或氫原子結(jié)合成氫分子后形成高壓，促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等，從而材料發(fā)生脆性斷裂[17]。

當(dāng)前奧氏體不銹鋼在含氯離子環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕機(jī)理研究已取得比較大的進(jìn)展，大家普遍認(rèn)為其斷裂機(jī)理為陽(yáng)極溶解型，腐蝕模型為成膜—滑移（膜破裂）—溶解—裂紋擴(kuò)展。奧氏體不銹鋼材料受到應(yīng)變的影響或自身的原因?qū)е卤Ｗo(hù)膜破裂，膜破口內(nèi)的金屬與周圍的膜形成小陽(yáng)極大陰極的腐蝕電池，會(huì)在膜破裂處形成蝕孔或裂紋源。如果裂尖金屬不斷溶解，或者金屬內(nèi)部存在活性通道，在拉應(yīng)力的作用下，這些地方就會(huì)發(fā)展成應(yīng)力腐蝕裂紋。金屬內(nèi)部的活性通道是由于金屬在開(kāi)裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變，而形變會(huì)導(dǎo)致某些奧氏體不銹鋼材料內(nèi)的奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，由于馬氏體相的腐蝕電位低于奧氏體相，并且馬氏體相的陽(yáng)極溶解速度大于奧氏體相，因此馬氏體相容易被選擇性溶解并成為應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的活性通道[18～21]。

（2）主要特征 從宏觀上看，應(yīng)力腐蝕斷口通常包括裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)三個(gè)部分，裂紋通常只發(fā)生在與腐蝕介質(zhì)接觸的局部區(qū)域，并沿厚度方向縱深發(fā)展，不斷沿其尖端作選擇性腐蝕，可以在不大的拉應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展，并在幾乎沒(méi)有明顯塑性變形的條件下發(fā)生脆性斷裂。

應(yīng)力腐蝕裂紋既有主干又有分枝，貌似落葉后的樹(shù)干和樹(shù)枝，具有明顯的方向性，主裂紋與拉應(yīng)力方向垂直，裂紋的走向與所受應(yīng)力有關(guān)，裂紋的寬度較窄，擴(kuò)展較深，端部尖銳，縱深常遠(yuǎn)大于其寬度。裂紋常發(fā)生于材料表面鈍化膜的損傷點(diǎn)、夾雜物、缺陷或應(yīng)力集中的部位。在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段形成的表面往往可以發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物或氧化產(chǎn)物，其斷口表面呈現(xiàn)暗褐色，斷面上裂源區(qū)域內(nèi)半圓形或放射性條紋的發(fā)散方向即為裂紋的局部擴(kuò)展方向，其匯聚處為裂源。失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)沒(méi)有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，具有金屬材料過(guò)載斷裂的特征。從微觀形貌上看，應(yīng)力腐蝕裂紋多為穿晶型，也有沿晶型和穿晶與沿晶混合型。穿晶型多為準(zhǔn)解理斷裂，常見(jiàn)河流、扇形、魚骨、羽毛等花樣，而沿晶型則多為冰糖塊狀花樣。

（3）主要影響因素 應(yīng)力腐蝕的影響因素主要取決于以下三個(gè)方面。一是環(huán)境。氯化物介質(zhì)、硫化物條件和堿性環(huán)境是奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂中最常見(jiàn)的三種形式[22]。以氯化物介質(zhì)為例，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)氯化物引起不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂與氯離子濃度、溫度、溶液pH值、在中性環(huán)境中溶解氧或有其他氧化劑有關(guān)；二是應(yīng)力。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需的應(yīng)力通常遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，隨著拉應(yīng)力增大，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需的時(shí)間越短。應(yīng)力的來(lái)源有工作時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，金屬材料在冷軋、冷拔等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以及在材料機(jī)械加工、焊接、熱處理加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，也有可能是由于設(shè)備、部件的安裝與裝配而引起的應(yīng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，金屬材料在加工制造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂中拉應(yīng)力的主要來(lái)源，其占應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂總數(shù)的80%以上[23]；三是材料。要發(fā)生應(yīng)力腐蝕，需要材料對(duì)介質(zhì)具有一定的應(yīng)力腐蝕敏感性，對(duì)于表面有鈍化膜的材料，只有鈍化膜被破壞后，才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。通過(guò)在不銹鋼中加入適量的Si、Co、Mo等元素可以提高材料的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力。降低含碳量也可以提高材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。含碳量增加，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性提高，當(dāng)含碳量為0.12%時(shí)，應(yīng)力腐蝕敏感性最大，而當(dāng)含碳量大于0.2%時(shí)，抗應(yīng)力腐蝕性能逐漸穩(wěn)定。材料結(jié)構(gòu)方面，材料的組織不均勻，容易產(chǎn)生活性陰極通道，造成應(yīng)力腐蝕，而小晶粒的金屬抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力強(qiáng)于同種大晶粒的金屬。

（4）防護(hù)方法 可以通過(guò)調(diào)整發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的三個(gè)必需要素來(lái)防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，實(shí)際使用過(guò)程中則需要根據(jù)具體情況來(lái)確定。比如可以使用耐應(yīng)力腐蝕能力更好的材料，可以采用變熱處理工藝來(lái)改變材料的組織來(lái)減小應(yīng)力腐蝕的敏感性，可以通過(guò)添加緩蝕劑或涂刷保護(hù)層防止應(yīng)力腐蝕，也可以采用改變介質(zhì)環(huán)境或者在設(shè)計(jì)、制造中避免形成應(yīng)力集中等多種辦法來(lái)防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[24]。

2 主要分析內(nèi)容及路線

本文的主要分析內(nèi)容如下：

（1）對(duì)變換氣氨Ⅱ管上0Cr18Ni9材質(zhì)等徑焊接三通的運(yùn)行參數(shù)、周邊環(huán)境和腐蝕介質(zhì)特性進(jìn)行調(diào)研，對(duì)設(shè)備的腐蝕失效原因進(jìn)行初步的分析。

（2）對(duì)失效部位進(jìn)行宏觀檢查或滲透檢測(cè)，尋找泄漏位置，觀察失效部位表面的腐蝕和變形情況及焊縫焊接質(zhì)量。對(duì)壁厚厚度進(jìn)行測(cè)量，判斷其是否發(fā)生腐蝕減薄現(xiàn)象。綜合上述觀察結(jié)果，分析失效類型。

圖2 變換氣氨Ⅱ管和低變氣冷卻器失效分析路線簡(jiǎn)圖

（3）采用SEM、金相顯微鏡對(duì)失效部件裂紋的微觀形貌、微裂紋、裂紋擴(kuò)展方向、腐蝕形貌進(jìn)行觀察分析。

（4）采用EDS、全譜直讀火花光譜儀、鐵素體檢測(cè)儀等測(cè)試手段對(duì)失效部件的裂紋斷面化學(xué)成分、母材成分、焊縫鐵素體含量進(jìn)行檢測(cè)，并利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)母材的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，判斷是否存在母材劣化或質(zhì)量不合格的情況。

（5）在上述檢測(cè)分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合現(xiàn)有理論和實(shí)際案例，分析介質(zhì)和工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝質(zhì)量等因素對(duì)設(shè)備失效的影響，找出變換氣氨Ⅱ管等徑焊接三通失效的原因。根據(jù)變換氣氨Ⅱ管上0Cr18Ni9材質(zhì)等徑焊接三通的失效原因提出了相應(yīng)的預(yù)防和處理措施，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修處理。

變換氣氨Ⅱ管和低變氣冷卻器的失效分析路線簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

3 失效設(shè)備概述及試樣制備

3.1 失效變換氣氨Ⅱ管概述

變換氣氨Ⅱ管為聯(lián)合制堿法中母液的輸送管道，其材質(zhì)為0Cr18Ni9，規(guī)格為φ 133 mm×5 mm，鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T14976-2002，管內(nèi)工作介質(zhì)為母液，主要含有水、NH3、NH4+、Cl-、Na+、CO2、CO、N2、H2、HCO3-等，pH值為8.0左右,工作壓力2.1 MPa，工作溫度35 ℃，流量100 m3/h（2.3 m/s）。母液是強(qiáng)電解質(zhì)，容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致管線(特別是普通鋼材)發(fā)生失效，給正常的生產(chǎn)造成極大的不便，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。

變換氣氨Ⅱ管通常處于潮濕工作環(huán)境中（見(jiàn)圖3、圖4），容易發(fā)生腐蝕，出現(xiàn)較嚴(yán)重的泄漏事故，從而導(dǎo)致必須停產(chǎn)修理。其等徑三通接頭的使用壽命一般不到1年，個(gè)別等徑三通接頭的使用壽命甚至僅為1～2個(gè)月，而直管位置的對(duì)接接頭一般能安全地使用2～3年，有的可以使用4～6年。等徑三通接頭的使用壽命已成為了生產(chǎn)中的限制性環(huán)節(jié)，對(duì)生產(chǎn)效率和公司的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的影響。因此，本文以公司發(fā)生泄漏的等徑焊接三通接頭為研究對(duì)象，對(duì)其失效形式進(jìn)行分析，提出預(yù)防和解決措施。管道具體形狀見(jiàn)圖5。該管道由企業(yè)修造車間負(fù)責(zé)安裝。

圖3 變換氣氨Ⅱ管潮濕的工作環(huán)境

圖4 變換氣氨Ⅱ管工作環(huán)境

圖5 發(fā)生泄漏的三通接頭

3.2 變換氣氨Ⅱ管試樣的獲取

用空氣等離子切割機(jī)將一截發(fā)生泄漏的等徑焊接三通接頭從變換氣氨Ⅱ管上切下，此接頭外覆蓋有一層泄漏介質(zhì)，有刺鼻氣味，呈潤(rùn)濕狀態(tài)。將覆蓋物用鋼刷去除后，可見(jiàn)該接頭被貼補(bǔ)過(guò)（見(jiàn)圖5）。為了分析接頭焊縫的具體情況，采用碳弧氣刨將貼補(bǔ)在焊縫上的鋼板除去。

（1）力學(xué)試樣和化學(xué)分析試樣的獲取 參照《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》GB/T2975-1998的要求，沿接管長(zhǎng)度方向制取拉伸試樣、彎曲試樣，并在該位置截取化學(xué)成分分析試樣。

（2）掃描電鏡及能譜試樣的獲取 在泄漏位（圖6）用線切割制取應(yīng)同時(shí)包括焊縫、母材的試樣，試樣取下后，用虎鉗沿裂紋開(kāi)裂方向?qū)⒃嚇雨?。泄漏位置?jiàn)圖6箭頭處。

（3）金相試樣的獲取 在制取掃描電鏡試樣后，繼續(xù)用線切割在靠三通腹部側(cè)垂直于焊縫制取金相試樣，金相試樣應(yīng)同時(shí)包括焊縫、母材、熱影響區(qū)。金相試驗(yàn)剖口試樣見(jiàn)圖7。

圖6 金相試樣及掃描電鏡取樣位置

圖7 剖口金相試樣

4 變換氣氨Ⅱ管的失效分析及處理措施

4.1 宏觀檢查及分析

檢查變換氣氨Ⅱ管的等徑焊接三通接頭，可看到管道內(nèi)表面遠(yuǎn)離焊縫位置的母材無(wú)任何受腐蝕的現(xiàn)象，內(nèi)表面可以清楚地看到管道制造時(shí)留下的拔痕。用超聲波測(cè)厚儀檢查管道厚度，無(wú)明顯腐蝕減薄現(xiàn)象，壁厚在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)（由于查不到管道投用前的具體厚度，故不能確定管道的實(shí)際減薄量，但通過(guò)管道存在的拔痕可以判斷管道內(nèi)壁幾乎不存在均勻腐蝕現(xiàn)象）。宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)泄漏位置。

等徑焊接三通接頭內(nèi)外表面如圖8、圖9、圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)接頭存在以下問(wèn)題：

（1）焊縫成形不好，焊腳尺寸過(guò)大 從圖8和圖9可發(fā)現(xiàn)，焊道之間、焊縫與母材之間過(guò)渡不圓滑，焊縫高矮寬窄不一；焊縫角尺寸過(guò)大，熔敷金屬過(guò)多，焊腳尺寸變化較大，最大達(dá)30 mm（圖11的B位置），最小17 mm(圖11的A位置)，焊腳尺寸遠(yuǎn)大于正常角焊縫尺寸（按《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》GB/T20801.4-2006第7.8.1條的要求，只需要6.4 mm）。

圖8 焊縫成形不好、焊腳尺寸過(guò)大、存在三類點(diǎn)腐蝕坑（三通接頭外表面）

圖9 未焊透和較大的腐蝕坑（三通接頭內(nèi)表面）

圖10 焊縫成形差、焊腳尺寸大、存在點(diǎn)腐蝕（發(fā)生泄漏的三通接頭外表面）

（2）存在點(diǎn)腐蝕 從圖9可發(fā)現(xiàn)在管內(nèi)壁與原始切割面相鄰的管壁上存在數(shù)個(gè)較大的腐蝕坑，宏觀上呈盤碟形，坑內(nèi)局部位置呈水平形或垂直形及其復(fù)合形狀，最大深度1.9 mm，最長(zhǎng)長(zhǎng)度為20 mm，其他位置沒(méi)有點(diǎn)腐蝕坑；從圖8和圖10可發(fā)現(xiàn)在外表面（貼補(bǔ)位置）焊縫上，有小而較密的點(diǎn)腐蝕坑，母材上則主要有三種形貌的點(diǎn)腐蝕坑存在：一種是大點(diǎn)腐蝕坑，位于最大焊腳尺寸的熔合線位置，形狀為垂直形（見(jiàn)圖8）。一種為小而淺的點(diǎn)腐蝕坑，幾乎分布在整個(gè)外表面。最后一種為較大的點(diǎn)腐蝕坑，主要分布在熔合線位置及其附近，深度為0.4 mm。

圖11 三通接頭結(jié)構(gòu)示意圖

（3）從圖9可發(fā)現(xiàn)焊縫存在較多未焊透 未焊透位置的切割痕跡和割渣痕跡表明該接頭焊前未打磨坡口及清理割渣。組對(duì)質(zhì)量差，組對(duì)間隙寬窄不一，有的地方?jīng)]有間隙，而有的地方間隙達(dá)5.5 mm。

宏觀檢查結(jié)果表明：

（1）安裝質(zhì)量較差 接頭存在組對(duì)間隙寬窄不一、未清理焊接坡口及割渣、焊縫根部存在較多未焊透、焊縫外表面成形不好、熔敷金屬過(guò)多等問(wèn)題。

（2）在條件具備時(shí)，接頭會(huì)發(fā)生點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕 由管道內(nèi)外壁的腐蝕情況可以看出，0Cr18Ni9材質(zhì)的管道內(nèi)壁在母液保持一定流速的情況下，不會(huì)發(fā)生點(diǎn)腐蝕。管道外壁存在的點(diǎn)蝕坑說(shuō)明該管道在靜止的母液作用下會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕。由于發(fā)生縫隙腐蝕所需的條件低于點(diǎn)腐蝕，因此當(dāng)接頭部位存在合適的縫隙時(shí)，會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕。內(nèi)表面較大的腐蝕坑是由附著在管道內(nèi)表面的割渣與管道間的縫隙腐蝕而造成的，當(dāng)縫隙腐蝕發(fā)展到一定的階段后，割渣在介質(zhì)的沖刷下脫落而形成一個(gè)個(gè)較大的腐蝕坑，當(dāng)腐蝕坑形成后，由于腐蝕坑內(nèi)表面凹凸不平，且可能存在應(yīng)力腐蝕裂紋，導(dǎo)致腐蝕坑在縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的雙重作用下繼續(xù)長(zhǎng)大，并在介質(zhì)的沖刷下不斷擴(kuò)大。

（3）點(diǎn)腐蝕受到焊接的影響 母材外表面較大的點(diǎn)腐蝕坑主要分布在焊縫熔合線附近及熔敷金屬較多的地方，這可能是由于較多的熔敷金屬在冷卻過(guò)程中導(dǎo)致熱影響區(qū)形成了較大的殘余應(yīng)力，同時(shí)其熱影響區(qū)晶粒尺寸粗大，進(jìn)而造成母材抗點(diǎn)蝕能力下降。

4.2 滲透檢測(cè)及分析

三通接頭滲透檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖12和圖13。外表面滲透檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)兩處缺陷，均位于焊縫上熔合線處，其中一處外表面已有一小塊母材金屬脫落，其他位置未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。外表面滲透檢測(cè)結(jié)束后，從內(nèi)表面施加滲透劑，發(fā)現(xiàn)兩處缺陷均有滲透劑滲出。

圖12 發(fā)生泄漏的三通接頭滲透檢測(cè)結(jié)果（黑圈為貫通性缺陷位置）

圖13 從內(nèi)表面施加滲透劑檢查接頭的貫通性缺陷

滲透檢測(cè)結(jié)果表明：該段接頭上的兩處缺陷都是貫通性缺陷，且均位于焊縫上熔合線位置，兩處缺陷都位于圖11的B位置或其附近（熔敷金屬最多的位置），說(shuō)明焊接殘余應(yīng)力可能對(duì)缺陷的產(chǎn)生有較大的影響。

4.3 力學(xué)性能及成分分析

經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，材料的化學(xué)成分和拉伸均滿足GB/T14976-2002《輸送流體用不銹鋼無(wú)縫鋼管》的要求。化學(xué)成分見(jiàn)表1，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)彎曲試樣進(jìn)行180o背彎和面彎試驗(yàn)，試樣表面無(wú)裂紋，說(shuō)明材料具有良好的塑性。測(cè)試結(jié)果表明材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足材料制造標(biāo)準(zhǔn)的要求，為合格材料。

4.4 金相試樣觀察及焊縫鐵素體含量測(cè)定

焊縫剖面金相試樣見(jiàn)圖14，觀察焊縫剖面金相試樣，大量裂紋以點(diǎn)蝕坑、縫隙為起點(diǎn)，向外呈放射狀的黑線狀和絮狀延伸，同時(shí)剖面上還有條狀、點(diǎn)狀?yuàn)A渣存在。采用鐵素體含量檢測(cè)儀測(cè)得焊縫上的鐵素體含量為8.2%。

圖14 宏觀檢查可見(jiàn)大量線狀、絮狀裂紋（焊縫剖面金相試樣）

腐蝕坑底腐蝕情況見(jiàn)圖15、圖16，裂紋的擴(kuò)展路線和形態(tài)見(jiàn)圖17、圖18，焊縫組織見(jiàn)圖19、圖20。通過(guò)金相顯微鏡可觀察到：裂紋形態(tài)方面，靠近腐蝕坑、縫隙部位已形成密集網(wǎng)狀、龜裂狀裂縫。裂紋呈樹(shù)枝狀擴(kuò)展，主裂紋旁有多條微裂紋分支，裂紋尖端很尖銳，為穿晶開(kāi)裂；材料組織正常，未發(fā)現(xiàn)有晶間腐蝕的情況；以100倍放大倍數(shù)進(jìn)行觀察，可見(jiàn)裂紋源于腐蝕坑、縫位置并向蝕坑周圍擴(kuò)展，隨機(jī)選擇一條主裂紋，從腐蝕坑底部開(kāi)始沿該裂紋連續(xù)觀察，可看見(jiàn)裂紋從腐蝕坑開(kāi)始從管道內(nèi)表面向外擴(kuò)展并止于焊縫；焊縫上存在鐵素體組織且鐵素體呈條狀、網(wǎng)狀分布于奧氏體晶粒之間，焊縫上無(wú)裂紋。

觀察和測(cè)試結(jié)果表明：

（1）裂紋具有應(yīng)力腐蝕的特征，腐蝕坑底部網(wǎng)狀的開(kāi)裂形態(tài)導(dǎo)致介質(zhì)沖蝕下，腐蝕金屬容易脫落，腐蝕坑不斷擴(kuò)展。

表1 管材化學(xué)成分分析（%）

表2 管材拉伸試驗(yàn)結(jié)果

（2）點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕會(huì)產(chǎn)生大量的裂紋。

（3）鐵素體含量為8.2%的奧氏體不銹鋼焊縫能有效阻止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（當(dāng)奧氏體不銹鋼焊縫中存在4%～12%的鐵素體相時(shí)，鐵素體的存在可以降低晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕發(fā)生的可能性[4]）。

圖15 網(wǎng)狀分布的裂紋(腐蝕坑底部裂紋形態(tài))

圖16 網(wǎng)狀分布穿晶開(kāi)裂的裂紋(腐蝕坑底)

圖17 網(wǎng)狀分布穿晶開(kāi)裂的裂紋（靠近腐蝕坑底部）

圖18 從管內(nèi)壁腐蝕坑底向外延伸至焊縫處的裂紋形態(tài)

圖19 裂紋延伸到焊縫后沿母材繼續(xù)擴(kuò)展

圖20 焊縫外側(cè)組織（無(wú)裂紋）

4.5 斷口掃描電鏡及能譜分析

斷口低倍斷面形態(tài)見(jiàn)圖21，對(duì)試樣采用超聲波進(jìn)行清洗，去除表面松散附著物及污物后對(duì)斷面進(jìn)行掃描電鏡觀察。

圖21 低倍斷面形態(tài)

靠近管道外表面斷口形貌見(jiàn)圖22，可以發(fā)現(xiàn)斷口除掰斷位置及其附近位置外，在裂紋擴(kuò)展期形成的斷口表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋。靠近外壁的斷面上腐蝕產(chǎn)物厚度較薄，可以清楚地看到斷裂形成的臺(tái)階以及裂紋。

圖22 腐蝕產(chǎn)物較薄且斷口上有臺(tái)階（近管道外表面斷口形貌）

靠近管道內(nèi)表面的斷口見(jiàn)圖23，在點(diǎn)腐蝕坑底部附近、近內(nèi)表面?zhèn)鹊臄嗝嫔细采w有一層較厚的腐蝕產(chǎn)物，該部位已看不見(jiàn)裸露的裂紋，腐蝕產(chǎn)物的圖案呈泥狀花紋，立體感不強(qiáng)，該斷裂面應(yīng)屬于其穿晶開(kāi)裂形成的斷面。

圖23 腐蝕產(chǎn)物較厚且呈泥狀花紋（近管道內(nèi)表面斷口）

裂紋末端斷口見(jiàn)圖24，裂紋末端（應(yīng)力腐蝕裂紋與焊縫交界處）無(wú)腐蝕產(chǎn)物覆蓋區(qū)，管材側(cè)呈臺(tái)階狀，無(wú)變形痕跡，管材斷裂形式為穿晶型斷裂。焊縫屬于韌性斷裂，可以看見(jiàn)明顯的韌窩，且熔敷金屬所形成的韌窩都明顯偏向撕裂方向。

圖24 斷口無(wú)腐蝕產(chǎn)物且同時(shí)存在解理斷裂和韌性斷裂（裂紋末端斷口）

近管道內(nèi)表面斷口和近管道外表面斷口能譜見(jiàn)圖25、26。

圖25 近管道內(nèi)表面斷口能譜圖

圖26 近管道外表面斷口能譜圖

從掃描電鏡的觀察結(jié)果可以得出管道斷口具有穿晶斷裂的特征。由近管道外表面斷口和近管道內(nèi)表面斷口能譜圖可知，除有鋼材本身的元素外，在斷口表面的腐蝕產(chǎn)物中氧元素含量較高，氧原子分別為51.5%和60.55%，說(shuō)明腐蝕產(chǎn)物中存在大量的氧化物，這與304奧氏體不銹鋼在酸性溶液最外層鈍化膜的主要成分為CrO3、Fe2O3、Fe(OH)3和Ni2O2的情況相符。同時(shí)檢測(cè)結(jié)果顯示在腐蝕產(chǎn)物中還分別含有2.3%和0.11%氯原子，說(shuō)明在腐蝕過(guò)程有氯離子存在，并在腐蝕產(chǎn)物形成后留在了反應(yīng)產(chǎn)物內(nèi)。

5 失效過(guò)程分析

由于等徑焊接三通管道組對(duì)時(shí)，接管相貫線切割質(zhì)量不佳且切割后未對(duì)切割面及割渣進(jìn)行打磨處理，再加上焊工技術(shù)較差，導(dǎo)致未焊透部位和不銹鋼切割后的割渣與接管母材之間形成大量的縫隙，已形成的縫隙在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的作用下發(fā)生縫隙腐蝕。其中，割渣與接管母材之間發(fā)生縫隙腐蝕后，造成割渣在介質(zhì)的沖刷下脫落并在脫落位置形成較大的點(diǎn)腐蝕坑。

點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕向縱深不斷發(fā)展，它們?cè)跀U(kuò)展的同時(shí)，引起接管母材應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展會(huì)被焊縫阻擋，當(dāng)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展至焊縫外表面熔合線位置時(shí)，最終導(dǎo)致三通接頭發(fā)生泄漏。在接頭發(fā)生泄漏后，企業(yè)采取貼補(bǔ)的方式進(jìn)行維修，用一塊蓋板將泄漏位置密封，相當(dāng)于人為制造了一個(gè)介質(zhì)流動(dòng)死角，導(dǎo)致該位置的管道外表面出現(xiàn)大量的點(diǎn)腐蝕。一段時(shí)間后，蓋板覆蓋位置在縫隙腐蝕及應(yīng)力腐蝕作用下再次發(fā)生泄漏。

6 失效原因分析與討論

宏觀檢查的結(jié)果表明，0Cr18Ni9管道在正常使用時(shí)，不會(huì)發(fā)生腐蝕，但如果與工作介質(zhì)處于相對(duì)靜止的環(huán)境時(shí)，會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕（文獻(xiàn)[6][12]通試驗(yàn)研究表明該材料在類似的條件下容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕）。由于發(fā)生縫隙腐蝕的臨界電位要比點(diǎn)腐蝕臨界電位低，所以當(dāng)焊接接頭存在寬度為0.025～0.25 mm的縫隙時(shí)會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕。點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕發(fā)生后，會(huì)在其底部形成裂紋。裂紋的宏觀和微觀形態(tài)，都表明裂紋具有典型的應(yīng)力腐蝕裂紋的特征，而裂紋斷面上的腐蝕產(chǎn)物也符合應(yīng)力腐蝕產(chǎn)物的特征。點(diǎn)腐蝕機(jī)理和文獻(xiàn)[25]的研究都表明點(diǎn)腐蝕坑底的敏感點(diǎn)容易發(fā)展為裂紋源，進(jìn)而擴(kuò)展為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。本次檢驗(yàn)的結(jié)果也表明，當(dāng)0Cr18Ni9管道凹凸不平的腐蝕坑底在同時(shí)存在滯留的腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力時(shí)，會(huì)在腐蝕坑底產(chǎn)生大量裂紋。裂紋產(chǎn)生后會(huì)沿著母材不斷擴(kuò)展，但是由于含有分散的、不連續(xù)的鐵素體的焊縫能夠阻止裂紋的擴(kuò)展，因此泄漏位置總是發(fā)生在焊縫熔合線位置。

形成點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕主要有以下兩方面的原因：一方面，接頭存在安裝質(zhì)量差的問(wèn)題。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)等徑焊接三通焊縫組對(duì)間隙寬窄不一，焊縫未焊透部位形成大量間隙，容易在此處發(fā)生縫隙腐蝕，并在腐蝕位置發(fā)生開(kāi)裂。同時(shí)通過(guò)分析可以確定管道切割后留下的割渣未清除，割渣和管壁間形成的縫隙（見(jiàn)圖27不銹鋼切割的切割面形態(tài)）發(fā)生縫隙腐蝕進(jìn)而導(dǎo)致割渣脫落，并在原割渣位置形成點(diǎn)腐蝕坑，腐蝕坑在腐蝕介質(zhì)的作用下繼續(xù)長(zhǎng)大，并在腐蝕坑底形成大量的裂紋。另一方面，管道接頭結(jié)構(gòu)也不合理。該類接頭現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需人工切割相貫線，切割精度難以保證，組對(duì)間隙不易控制。接頭內(nèi)既存在對(duì)接接頭也存在角接接頭，焊接時(shí)接頭形式會(huì)不斷變化，且需采用全位置焊，焊接難度較大，焊接質(zhì)量難以保證且焊縫處會(huì)存在較大的應(yīng)力集中。

圖27 不銹鋼等離子切割后割渣的附著形態(tài)

梅其志等人采取先對(duì)等徑焊接三通進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，再進(jìn)行有限元應(yīng)力計(jì)算，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較的方式得出焊接等徑三通件在內(nèi)壓作用下，三通內(nèi)表面的高應(yīng)力區(qū)在肩部拐點(diǎn)位置，其應(yīng)力集中系數(shù)可以達(dá)到2.8～4.0，外表面的高應(yīng)力區(qū)在腹部中線位置[26]；軒福貞等人采用非線性有限元分析的方法對(duì)焊接三通進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，得出等徑三通內(nèi)表面的最大應(yīng)力在肩部拐點(diǎn)位置，外表面相貫線上的最大應(yīng)力在腹部，在1/4極限內(nèi)壓時(shí)，內(nèi)表面相貫線上的應(yīng)力約為屈服強(qiáng)度的0.05～0.5倍，外表面最大應(yīng)力約為屈服強(qiáng)度0.13～0.28倍[27]；陳虎等使用有限元軟件，對(duì)奧氏體不銹鋼接管封閉焊的殘余應(yīng)力進(jìn)行了模擬分析并與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)相比較，研究表明封閉焊縫環(huán)向的高應(yīng)力導(dǎo)致接管封閉焊比鑲塊封閉焊更易發(fā)生徑向開(kāi)裂。在非起焊和收焊位置，不銹鋼接管封閉焊的內(nèi)外表面最大焊接殘余應(yīng)力分別可達(dá)120MPa和200 MPa[28]。綜合上述分析可知，焊接三通管道在內(nèi)壓的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，內(nèi)外表面的最大應(yīng)力分別位于三通的肩部和腹部，但本次發(fā)生泄漏的位置在肩部和腹部間中間的焊縫上熔合線位置（圖11的B位置），由于該位置的熔敷金屬量偏大且管道的工作壓力不高，其失效的應(yīng)力來(lái)源主要是焊接殘余應(yīng)力。

本文通過(guò)對(duì)等徑焊接三通接頭進(jìn)行宏觀檢查、滲透檢測(cè)、力學(xué)及成分分析、金相觀察、斷面微觀形態(tài)觀察、腐蝕產(chǎn)物檢測(cè)、受力分析并結(jié)合有關(guān)理論和研究成果綜合分析后認(rèn)為：本次泄露失效的直接原因是氯離子引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的原因則是安裝質(zhì)量差和接頭結(jié)構(gòu)不合理。本次應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的機(jī)理為陽(yáng)極溶解型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。裂紋的形成和擴(kuò)展可以用滑移—溶解模型來(lái)解釋。管道投入使用后，在安裝形成的間隙內(nèi)發(fā)生縫隙腐蝕，在內(nèi)表面形成尺寸較大且不規(guī)則的點(diǎn)腐蝕坑。點(diǎn)腐蝕坑形成后，蝕坑內(nèi)表面的凹凸不平處或縫隙內(nèi)形成介質(zhì)滯留的環(huán)境并導(dǎo)致氯離子的滯留和濃縮，部分位置發(fā)生“自催化酸化”反應(yīng)，導(dǎo)致pH值降低和氯離子聚集。同時(shí)點(diǎn)腐蝕坑內(nèi)的應(yīng)力比較復(fù)雜， 點(diǎn)蝕孔起到“應(yīng)力提升器”的作用，導(dǎo)致坑內(nèi)局部位置產(chǎn)生塑性變形并在變形部位形成一定程度的滑移臺(tái)階，在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下不斷發(fā)生金屬鈍化—保護(hù)膜破裂的反應(yīng)，導(dǎo)致裂紋不斷擴(kuò)展。同時(shí)由于該類奧氏體不銹鋼在開(kāi)裂時(shí)產(chǎn)生的形變會(huì)導(dǎo)致部分奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，由于馬氏體相的腐蝕電位低于奧氏體相且馬氏體相的陽(yáng)極溶解速度比奧氏體相大，因此馬氏體相容易被選擇性溶解并發(fā)展成應(yīng)力腐蝕裂紋。

7 防護(hù)與處理措施

由于不能改變工作介質(zhì)及工作參數(shù)，也不便通過(guò)熱處理來(lái)消除接頭位置的殘余應(yīng)力，且等徑焊接三通接頭的焊縫存在應(yīng)力集中問(wèn)題，因此要防止變換氣氨Ⅱ管的失效主要可以從以下兩方面著手：

（1）更換管道材料 由于0Cr18Ni9不耐氯化物應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)腐蝕，因此首選的處理辦法是更換管道材料，選用耐氯化物應(yīng)力腐蝕能力更強(qiáng)的超低碳奧氏體不銹鋼，如304 L、316 L或選用對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感的雙相不銹鋼或耐母液腐蝕的鑄鐵材質(zhì)。

（2）改變焊接接頭形式 對(duì)接接頭是各種焊接接頭中受力情況最好，應(yīng)力集中最小的接頭形式[29]，因此可以將兩根管道直接連接的方式改為管道與成品三通的對(duì)接連接形式，采用經(jīng)過(guò)固溶處理的成品三通管道元件與管子對(duì)接連接，通過(guò)合理的工藝措施，可以比較容易地控制坡口加工質(zhì)量、組對(duì)間隙、焊接質(zhì)量，尤其是焊縫背面成形質(zhì)量，也方便采用射線探傷的方式檢測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷。

通過(guò)與企業(yè)溝通，考慮到采取合理的安裝工藝及必要的措施可以避免失效情況的發(fā)生，同時(shí)考慮到廠內(nèi)還有比較多0Cr18Ni9不銹鋼管庫(kù)存的實(shí)際情況，擬采用改變接頭形式的方法對(duì)失效管道進(jìn)行修理，通過(guò)加強(qiáng)組對(duì)及焊接過(guò)程的控制、對(duì)焊縫內(nèi)表面進(jìn)行外觀檢查、采用表面鈍化處理和對(duì)焊接接頭內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)抽查的方式保證焊接接頭的焊接質(zhì)量，以達(dá)到利用庫(kù)存材料，在不改變管道材質(zhì)的情況下，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命和提高設(shè)備安全性。并采取必要的管理手段和技術(shù)措施保證焊接接頭的焊接質(zhì)量。結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況，對(duì)庫(kù)存0Cr18Ni9不銹鋼管采用下述處理方法：

（1）采購(gòu)經(jīng)固溶處理的符合《鋼制對(duì)焊無(wú)縫管件》GB/T12459-2005要求的0Cr19Ni10材質(zhì)的等徑三通管件與現(xiàn)有庫(kù)存的0Cr18Ni9不銹鋼管焊接。

（2）焊接質(zhì)量控制 為保證焊縫的背面成形質(zhì)量，本次管道焊縫采用全氬弧焊焊接，背面通99.99%的氬氣保護(hù)，既能保證背面成形質(zhì)量，又能保證合金元素不被氧化。

a.為保證焊縫質(zhì)量，焊接工藝評(píng)定按《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》NB/T47014-2011標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定合格后，引用該評(píng)定的焊接工藝才能用于該管道的焊接，本次選用Cr、Ni含量略高于0Cr18Ni9鋼的超低碳不銹鋼焊絲ER308L作為焊接材料，焊材的采購(gòu)與驗(yàn)收必須符合《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》NB/T47018-2011的要求。

b.嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝制度，確保坡口表面質(zhì)量及坡口尺寸符合焊接工藝的要求。

c.選用持有GTAW-FeIV-5G-6/57-FefS-02/10/12項(xiàng)目的焊工施焊，為確保焊接質(zhì)量，可以在施焊前進(jìn)行針對(duì)性的模擬練習(xí)。

（3）檢驗(yàn)檢測(cè)與后處理

a.焊后，去除造成不利影響的表面缺陷，如焊縫附近的雜質(zhì)、飛濺物、表面成形不良等外觀缺陷。

b.條件許可時(shí)，采用內(nèi)窺鏡檢查內(nèi)表面焊縫，內(nèi)表面焊縫不得有未焊透等可能引起縫隙腐蝕的表面缺陷。

c.對(duì)接頭外表面按《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 滲透檢測(cè)》JB/T4730.5-2005的要求進(jìn)行滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

d.按《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)射線檢測(cè) 射線檢測(cè)》JB/T4730.2-2005的要求進(jìn)行射線檢測(cè)，Ⅱ級(jí)合格。

e.外觀及無(wú)損檢測(cè)合格后對(duì)整個(gè)管道進(jìn)行水壓試驗(yàn)，確保管道強(qiáng)度及致密性滿足要求，水壓試驗(yàn)的壓力取最高工作壓力的1.5倍即3.15 MPa，介于管道內(nèi)含有氨這類強(qiáng)滲透介質(zhì)，因此在水壓試驗(yàn)合格后還需要進(jìn)行2.1 MPa的氣密性試驗(yàn)[30]。

f.考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的原因，可以采取鈍化膏鈍化并用水徹底清洗或采用拋光輪徹底清除焊縫和熱影響區(qū)周圍受損的鈍化膜及污物的方式提高管道表面的耐蝕性。

（4）處理效果 該設(shè)備從2015年3月維修處理完成后，一直安全運(yùn)行，未出現(xiàn)設(shè)備開(kāi)裂現(xiàn)象。

8 小 結(jié)

通過(guò)本文所述可以得到以下結(jié)論：

（1）造成變換氣氨Ⅱ管上0Cr18Ni9材質(zhì)等徑焊接三通失效的主要原因是氯離子引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

（2）導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂主要是由于以下兩方面原因：一是安裝質(zhì)量差。宏觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)三通接頭存在組對(duì)間隙寬窄不一、有較多未焊透和割渣等問(wèn)題，局部焊縫未焊透、未打磨焊接坡口及清理割渣，在接頭處形成了大量寬度為0.025～0.25 mm的縫隙，容易發(fā)生縫隙腐蝕。局部位置熔敷金屬過(guò)多，焊接殘余應(yīng)力較大。二是焊接接頭結(jié)構(gòu)不合理?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，需手工切割相貫線，切割精度難以保證，組對(duì)間隙不易控制；該類焊接接頭內(nèi)既存在對(duì)接接頭也存在角接接頭，焊接時(shí)接頭形式會(huì)不斷變化，現(xiàn)場(chǎng)組焊時(shí)須采用全位置焊，焊接難度較大；焊接接頭難以采用射線探傷的方法檢查焊縫內(nèi)部缺陷，其焊接質(zhì)量難以保證。

（3）應(yīng)力腐蝕失效的位置總是發(fā)生在焊縫熔合線位置。焊縫受到較大的殘余應(yīng)力易導(dǎo)致接頭位置發(fā)生應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂發(fā)生后會(huì)沿著母材不斷擴(kuò)展，由于焊縫含有一定量的鐵素體，能夠有效阻止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，因此泄漏位置總是發(fā)生在焊縫熔合線位置。

（4）采用合理的工藝措施，0Cr18Ni9材質(zhì)的不銹鋼管道可以用于制造聯(lián)堿生產(chǎn)用變換氣氨Ⅱ管。