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

隨著石油化工行業的發展，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中的常用設備，其工作環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的兩種裂紋，并結合我公司設計的某不銹鋼壓力容器出現的裂紋，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.封頭裂紋的發現

該設備在制造廠經壓力試驗合格后運至現場進行安裝，系統安裝完畢后于2010年10月13號通入常溫狀態氫氣進行系統吹掃，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，進行檢查發現該設備上封頭出現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垂直于環焊縫的軸向裂紋，如圖1(圖示1#，2#)，裂紋一端達于焊趾，但是沒有進入焊縫區。裂紋貫穿壁厚，呈較規整的直線形，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

根據制造單位提供的材質證明，材料符合GB/T4237-92的相關規

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。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。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。通過金相分析發現，內壁和焊縫區的金相組織為奧氏體，有少量鉻化物析出，沿晶界網狀分布，而在熱影響區發現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現此處母材硬度達到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，對使用環境變得更加敏感，特別是氫致脆性環境。

封頭開裂是在氫氣環境下發生的，而發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部分奧氏體轉變為馬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經1年多的使用，工作正常，未再出現該類裂紋。

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.球罐裂紋的發現

該球罐于2008年投入生產，2010年開罐檢查時發現焊縫和熱影響區出現表面裂紋，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的裂紋

(1)材料化學成分分析

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

(2)設計分析

根據強度計算，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濃度下就會出現應力開裂。在有溶解氧的情況下會加速腐蝕。而且大多數奧氏體不銹鋼應力腐蝕均發生在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，使金屬內部穩定的組織發生破壞，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，根據裂紋出現的位置為熱影響區和焊縫區，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在焊縫熱影響區，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，焊接熔合區和熱影響區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，更容易發生腐蝕開裂。

3.處理措施

根據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。

本項目中出現應力腐蝕裂紋，幾乎遍布每條焊縫及其熱影響區，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。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，檢查中未再發現應力腐蝕裂紋。

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。所以我們在使用過程中應根據具體的環境條件，在選材、設計和制造工藝、檢驗等上要高質量、嚴要求，采取適當的措施，使得很多奧氏體不銹鋼易出現的問題盡量避免。從源頭抓起，杜絕隱患。

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局發布，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定》.中國計劃出版社出版.