張世升

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

鍛制補(bǔ)強(qiáng)管斷裂原因分析及修復(fù)

張世升

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

一臺新制奧氏體不銹鋼低溫塔在未達(dá)到操作溫度條件下，塔底鍛制補(bǔ)強(qiáng)管突然斷裂。分析了裂紋產(chǎn)生的原因，對修復(fù)過程進(jìn)行了敘述，為今后避免類似事故的發(fā)生提出了意見與建議。

補(bǔ)強(qiáng)管 斷裂 分析 修復(fù)

國內(nèi)某乙烯裝置中脫甲烷塔是按GB150設(shè)計、并依據(jù)JB4710制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收的更新設(shè)備，其材質(zhì)為0Gr18Ni9（標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分見表1），規(guī)格Φ1900/Φ2400/Φ3500×63350，設(shè)計壓力0.8MPa，設(shè)計溫度-145℃，屬一類壓力容器。工藝流程中，該塔主要用途是在低溫條件下將C1從烴中分離出來。該塔建成后在當(dāng)年十月投入運(yùn)行，打通流程降溫至-70℃時，塔底47#管口鍛制補(bǔ)強(qiáng)管突然斷裂，造成烴類泄漏，裝置被迫停車。

為使裝置安全運(yùn)行，急需對該設(shè)備鍛制補(bǔ)強(qiáng)管進(jìn)行分析、評定，在理論和實(shí)際許可的條件下，采取相應(yīng)措施進(jìn)行修補(bǔ)。

1 缺陷性質(zhì)及成因分析

該塔為新制設(shè)備，使用前，全部焊縫經(jīng)100%無損檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，且設(shè)備承受了常溫下的壓力試驗(yàn)及沉降試驗(yàn)，符合制造及檢查標(biāo)準(zhǔn)要求，在常溫、有壓條件下無任何破壞跡象。在無壓低溫條件下突然斷裂，說明材料在抗低溫性能上存在一定問題，因此，從材質(zhì)損傷分析入手，逐步揭示鍛制補(bǔ)強(qiáng)管斷裂的原因。

1.1 裂紋分布及特征

裂紋出現(xiàn)在鍛制補(bǔ)強(qiáng)管與工藝彎頭焊縫附近補(bǔ)強(qiáng)管一側(cè)，距熔合線約5mm鍛制補(bǔ)強(qiáng)管變截面部位基本上已經(jīng)完全斷裂。斷裂補(bǔ)強(qiáng)管側(cè)面宏觀形貌及斷裂補(bǔ)強(qiáng)管斷面宏觀形貌見圖1和圖2。

從裂紋發(fā)生部位顯微組織看，金相組織為奧氏體＋富鉻碳化物，裂紋有多個成核區(qū)，基本上沿碳化物析出的晶界發(fā)展，個別部位還呈現(xiàn)樹狀分枝，有些碳化物邊界已出現(xiàn)點(diǎn)狀腐蝕坑。圖3、圖4為裂紋部位金相照片。

1.2 裂紋斷口分析

表1 0Gr18Ni9標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成份

如圖1、圖2所示，從斷裂鍛制補(bǔ)強(qiáng)管裂紋的宏觀形貌可以看出，斷裂表面基本上與補(bǔ)強(qiáng)管軸線垂直，斷口較為粗糙，斷口毗鄰部位金屬未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，斷口表面發(fā)生銹蝕，呈棕黃色。

微觀觀察結(jié)果表明，裂紋具有典型的沿晶斷裂特征。能譜分析結(jié)果表明，斷口原始表面除基體金屬Fe、Cr、Mn、Ni外，尚有少量 S、Cl等元素（見圖 5、圖 6）。

三個不同部位原始斷裂表面能譜分析結(jié)果見表2。需要指出的是，能譜成分分析是一種微區(qū)分析，其基體成分與微觀成分有較大區(qū)別，這與微區(qū)范圍內(nèi)成份偏析或析出有關(guān)。

表2 鍛制補(bǔ)強(qiáng)管斷口表面能譜分析結(jié)果 （w t%）

1.3 裂紋性質(zhì)及成因分析

1.3.1 材質(zhì)因素

該鍛制不銹鋼補(bǔ)強(qiáng)管化學(xué)成分完全不符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，碳、錳含量嚴(yán)重超標(biāo)，鉻、鎳含量明顯不足。即使不在450～850℃的不銹鋼敏化區(qū)內(nèi)，碳化物也會從晶界析出，造成晶界附近鉻含量不足，能量線譜分析個別微觀部位鉻含量只有5%左右，晶界附近金屬處于活性狀態(tài)。

同時，錳含量嚴(yán)重超標(biāo)，促使晶粒粗大，材料在-50～-60℃附近由韌性材料轉(zhuǎn)化為脆性材料。

1.3.2 環(huán)境因素

設(shè)備安裝在5、6月份進(jìn)行，正處于雨季，雖然進(jìn)行了必要的防護(hù)措施，但不可能完全保證雨水不進(jìn)入塔內(nèi)；試壓時，壓力試驗(yàn)也是用水作為試驗(yàn)介質(zhì)。此外，該管口為液位計測量的下口，存在低點(diǎn)袋狀，不利于完全排盡殘留水分。殘留水分較長時間的自然蒸發(fā)，使該部位氯離子局部濃縮、聚集，從而提高了氯離子濃度。

1.3.3 成因分析

鍛制不銹鋼補(bǔ)強(qiáng)管斷裂部位處于結(jié)構(gòu)突變部位，裝配應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、管路降溫收縮應(yīng)力均會形成拉應(yīng)力。同時，該部位存在較高濃度的氯離子。氯離子是奧氏體鋼應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)，而該材料本身又處于活性狀態(tài)。因此，分析認(rèn)為該處裂紋首先是由氯離子應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生，而材料脆化加速了裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致開裂。裂紋形態(tài)及斷口分析都進(jìn)一步證明了上述結(jié)論。

2 修復(fù)

鍛制補(bǔ)強(qiáng)管與工藝彎頭基本上完全斷開，其鍛制補(bǔ)強(qiáng)管材質(zhì)完全不符合GB1220標(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》，該材料必須更換。但由于檢修期極為緊張，沒有時間將塔內(nèi)物料進(jìn)行置換，因此，塔內(nèi)不具備動火條件。經(jīng)過反復(fù)論證，采用外部包補(bǔ)的方法修復(fù)該設(shè)備（見圖7）。

首先將原補(bǔ)強(qiáng)管用管刀切除50mm，重新加工合格材質(zhì)的鍛件，將其套入原補(bǔ)強(qiáng)管外部，與塔下封頭連接采用角接接頭形式，與彎頭連接采用對接焊接接頭形式。焊接采用手工氬弧焊焊接，焊絲采用H 0Cr21Ni10，層間溫度在100～120℃左右，焊接完成后，角焊縫用PT檢查，對接焊縫用RT檢查。

修復(fù)后，經(jīng)PT、RT檢查，檢查結(jié)果合格，裝置開車后，未發(fā)生任何問題。到目前為止，該塔已安全運(yùn)行超過5000h，證明修復(fù)工作是行之有效的。

3 結(jié)論與注意事項

（1）鍛制補(bǔ)強(qiáng)管斷裂是由于材質(zhì)不合格引起的，材質(zhì)出現(xiàn)了脆性轉(zhuǎn)變，必須更換。

（2）裂紋產(chǎn)生是由氯離子引起的應(yīng)力腐蝕裂紋，材料脆化進(jìn)一步加速了裂紋發(fā)展，因而在極短的時間內(nèi)發(fā)生斷裂。

（3）修復(fù)采用了外部包補(bǔ)方法，建議下次全檢時，按設(shè)計圖樣，予以更換，若無條件更換，該部位應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行檢查。

（4）奧氏體不銹鋼對氯離子引起的晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕特別敏感，建議檢修期及下次水壓試驗(yàn)時，要特別防護(hù)，嚴(yán)禁氯離子長時間留于容器內(nèi)。

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2012-10-16）