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不銹鋼醚化釜裂紋缺陷的分析及處理

2022-09-01 13:16沈華西歐先印沈國澳索選軒馬琦
金屬加工(熱加工) 2022年8期
關(guān)鍵詞:晶間腐蝕封頭鐵素體

沈華西,歐先印,沈國澳,索選軒,馬琦

1.江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院九江分院 江西九江 332000 2.南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 江西南昌 332020

1 序言

奧氏體不銹鋼對氯離子敏感,該結(jié)論在國內(nèi)外研究中較為成熟。但其鐵素體含量超標(biāo),能否加速晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕,降低材料韌性,這一問題至今少有研究。本文通過對一臺不銹鋼醚化釜進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)了多處裂紋缺陷,對其中一處裂紋進(jìn)行處理分析,研究鐵素體含量超標(biāo)是否對不銹鋼腐蝕造成影響。

2 容器基本概況

一臺不銹鋼醚化釜容積為8m3,采用半管式加熱,屬于Ⅱ類壓力容器。筒體與封頭材質(zhì)為S30408不銹鋼(牌號為06Cr19Ni10),主要尺寸和性能參數(shù)為:直徑2000mm,筒體設(shè)計壁厚14mm,封頭設(shè)計壁厚16mm,設(shè)計壓力1.6MPa,工作壓力0.5MPa,設(shè)計溫度150℃,使用溫度100℃。設(shè)計介質(zhì)為二氯乙烷、三氯苯酚及氫氧化鈉等,實際使用介質(zhì)為液堿、二氯乙烷、氯化鈉和水等。

該醚化釜由無錫神鼎工程技術(shù)有限公司于2020年3月設(shè)計,制造單位為無錫神州通用容器有限公司,制造日期為2020年5月。使用單位為某化工有限公司,于2020年9月投入使用。2021年9月該單位對醚化釜進(jìn)行氣密性試驗,發(fā)現(xiàn)保壓過程中壓力無法維持,噴灑泡沫水檢查發(fā)現(xiàn)有多處泄漏。該容器從投入使用到發(fā)現(xiàn)泄漏實際服役時間僅為一年。

3 檢驗檢測方案及過程分析

3.1 檢驗檢測方案

結(jié)合該容器的使用情況,制定了檢驗檢測方案,內(nèi)容包括:資料審查、宏觀檢測、壁厚測定、滲透檢測、氣密性試驗、金相檢測及鐵素體檢測等;檢驗檢測設(shè)備包括:測厚儀、滲透檢測劑、金相檢測儀及鐵素體檢測儀等。

該容器夾套為半管,材質(zhì)為S30408不銹鋼,直徑為108mm。根據(jù)壓力容器相關(guān)規(guī)定[1],該半管夾套不屬于壓力容器,因此該方案不包括半管夾套的檢測。

3.2 檢驗檢測過程分析

首先開展符合進(jìn)罐檢測的前期準(zhǔn)備工作,包括拆除保溫棉、搭設(shè)腳手架、內(nèi)部介質(zhì)排放清理、盲板隔斷等。

(1)資料審查 通過查閱該容器的設(shè)計、制造、安裝、使用管理、檢驗檢測資料等,發(fā)現(xiàn)該容器的實際使用介質(zhì)與設(shè)計不符,實際使用介質(zhì)中含有氯化鈉溶液,氯離子含量較高,其他資料齊全且符合要求。

(2)宏觀檢測 該容器的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、外觀檢查等均符合要求。

(3)壁厚測定 通過對該容器封頭、筒體、接管進(jìn)行測厚,發(fā)現(xiàn)其與設(shè)計壁厚相符。

(4)滲透檢測(PT) 對該容器的縱、環(huán)焊縫,以及所有接管角焊縫進(jìn)行了PT檢測,上封頭直段處發(fā)現(xiàn)2處裂紋缺陷。

(5)氣密性試驗 該容器實際使用壓力為0.5MPa,氣密性試驗壓力設(shè)定為0.5MPa。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),有多處出現(xiàn)漏點(diǎn),均位于上下封頭的直段、距離環(huán)焊縫10~50mm處。其中,比較嚴(yán)重的一處漏點(diǎn)如圖1所示。該漏點(diǎn)位于上封頭直段的環(huán)焊縫熱影響區(qū),距離上封頭環(huán)焊縫約10mm。

(6)金相檢測 對圖1 處漏點(diǎn)進(jìn)行金相檢測。打磨后能清晰地觀察到兩條裂紋,每段長度約5mm,如圖2所示。借助金相顯微鏡觀測,該裂紋均為穿透性裂紋,如圖3所示。其周邊金相微觀組織如圖4所示。由圖4可知,該裂紋周邊組織發(fā)生了奧氏體晶間腐蝕。

圖1 上封頭直段熱影響區(qū)處漏點(diǎn)

圖2 上封頭直段熱影響區(qū)處裂紋

圖3 金相顯微鏡觀測下的裂紋

圖4 上封頭直段熱影響區(qū)微觀組織

(7)鐵素體檢測 經(jīng)檢測,該容器筒體的鐵素體含量為7.5%(體積分?jǐn)?shù),下同),上封頭直段處的鐵素體含量為47%(見圖5),上封頭圓弧處鐵素體含量為4.1%。焊縫處的鐵素體含量約5%,下封頭鐵素體檢測結(jié)果與上封頭類似。

圖5 上封頭直段處鐵素體檢測

4 缺陷描述及處理措施

4.1 缺陷描述

經(jīng)檢測,發(fā)現(xiàn)上下封頭直段多處有穿透性缺陷。針對其中較嚴(yán)重一處進(jìn)行了金相檢測,確定該缺陷為兩段不連續(xù)的穿透性裂紋,每段長度約5mm。其金相微觀組織表明,該裂紋附近組織發(fā)生了奧氏體晶間腐蝕。同時,對母材及焊縫進(jìn)行了鐵素體含量測定,發(fā)現(xiàn)上封頭直段處的鐵素體含量高達(dá)47%,嚴(yán)重超標(biāo)。

4.2 處理措施

建議更換上下封頭,嚴(yán)格控制該容器實際使用介質(zhì)中的氯離子含量,具體措施分析如下。

1)相關(guān)研究[2]表明,奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量一般為5%~15%。一定數(shù)量的鐵素體對防止焊接熱裂紋、提高焊縫抗晶間腐蝕均有十分重要的作用。但奧氏體不銹鋼中的鐵素體如果超過該范圍,會大大增加晶間腐蝕的敏感性;鐵素體含量過高時,將會降低材料韌性,甚至造成脆性破壞。該容器封頭直段處的鐵素體含量高達(dá)47%,嚴(yán)重超標(biāo),因此不僅使該區(qū)域晶間腐蝕發(fā)生的概率大大增加,還會降低材料韌性。

2)該容器實際使用介質(zhì)中含有較高的氯離子,可破壞金屬氧化膜保護(hù)層,形成點(diǎn)蝕或坑蝕[3,4],加速晶間腐蝕的形成。

3)以上兩種因素的疊加,使得該容器封頭直段快速形成晶間腐蝕,降低材料韌性,在拉伸應(yīng)力(容器使用壓力0.5MPa)的作用下,最終產(chǎn)生多處穿透性裂紋。

4)對一臺已超過設(shè)計使用年限的類似不銹鋼容器(材質(zhì)相同,使用介質(zhì)相同,已報廢)進(jìn)行鐵素體含量檢測,該容器封頭直段處的鐵素體含量為4.9%,筒體處的鐵素體含量為11.7%,其他部位的鐵素體含量均為5%~15%。結(jié)果表明,鐵素體超標(biāo)與介質(zhì)中含有一定量的氯離子兩者相比,前者更容易導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。

5)該容器僅封頭直段的鐵素體含量超標(biāo),其他部位的鐵素體含量均在規(guī)定范圍內(nèi),檢測時也未發(fā)現(xiàn)缺陷,由此可推測,封頭的制造工藝有缺陷。查閱該容器出廠質(zhì)量證明書,發(fā)現(xiàn)該容器封頭為外協(xié)制作,制造工藝為熱壓成形,始壓溫度1050℃,終壓溫度900℃,冷卻方式為空冷,未做固溶處理。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5]可知,采用旋壓成形的封頭直邊和過渡段的鐵素體含量可達(dá)20%,多數(shù)高于20%,且封頭直段與筒體環(huán)縫采用埋弧焊,熱輸入大、溫度高。以上多種因素共同作用導(dǎo)致環(huán)縫焊接后鐵素體聚集在封頭直段處。

5 結(jié)束語

1)封頭制造工藝缺陷導(dǎo)致封頭直段處的鐵素體含量嚴(yán)重超標(biāo),增加了晶間腐蝕的敏感性,同時降低了材料韌性。

2)使用介質(zhì)中氯離子含量較高,加速了晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。兩種因素共同作用,導(dǎo)致該容器使用不到一年,便產(chǎn)生了穿透性裂紋。

3)建議在奧氏體不銹鋼容器常規(guī)檢測方法基礎(chǔ)上,增加金相和鐵素體檢測。鐵素體檢測能夠有效、快捷、準(zhǔn)確地檢測出奧氏體不銹鋼中鐵素體的含量,不僅可作為奧氏體不銹鋼容器檢測的一種重要方法,還可為奧氏體不銹鋼容器的隱患排查、缺陷分析、責(zé)任劃分提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

4)該不銹鋼醚化釜采購價近50萬,僅用了一年就出現(xiàn)多處穿透性裂紋,如果不找出原因,則只能報廢處理或者更換整臺容器,會造成大量資源浪費(fèi)。

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