耿煥然

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

國內(nèi)某乙烯裝置脫甲烷塔按GB150 設(shè)計，并依據(jù)JB4710 制造、檢驗及驗收。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。在投入運行，打通流程降溫至- 70℃時，塔底47#管口鍛制補強管突然斷裂，造成烴類泄漏，裝置被迫停車。為使裝置安全運行，急需對該設(shè)備鍛制補強管進行分析、評定，在理論和實際許可的條件下，采取相應(yīng)措施進行修補。

表1 0Gr18Ni9 標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分一覽表 %

1 缺陷性質(zhì)及成因分析

該脫甲烷塔為新制設(shè)備，使用前全部焊縫經(jīng)100%無損檢驗，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及沉降試驗，符合制造及驗收標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。其在常溫、有壓條件下無任何破壞跡象，而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問題。因此，從材質(zhì)損傷分析入手，逐步揭示鍛制補強管斷裂的原因。

1.1 材質(zhì)分析

鍛制補強管是由0Gr18Ni9 奧氏體不銹鋼棒料鍛造而成。在鍛制補強管棒料中取Φ80、Φ70 及Φ120 三種規(guī)格及斷裂補強管作為試料，進行化學(xué)成分分析、金相檢查、力學(xué)性能試驗及斷口分析[1]，來評價材質(zhì)損傷程度。

1.1.1 化學(xué)成分

不銹鋼棒料化學(xué)成分分析結(jié)果見表2，由表可以看出，該批材料化學(xué)成分與廠家提供的質(zhì)保書中所列化學(xué)成分嚴(yán)重不符，與GB1220 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0Gr18Ni9 不銹鋼的化學(xué)成分也完全不符。C、Mn 含量嚴(yán)重超標(biāo)，而Cr、Ni 含量明顯不足。

碳在奧氏體不銹鋼中是強烈形成并穩(wěn)定奧氏體，且擴大奧氏體區(qū)的元素，碳形成奧氏體的能力約為鎳的30 倍。碳是一種間隙元素，通過固溶強化可顯著提高奧氏體不銹鋼的強度。但是，在奧氏體不銹鋼中，碳常常被視為有害元素。因為在焊后或敏化溫度下，碳可與鋼中的鉻形成高鉻的Cr23C6型碳化物，從而導(dǎo)致晶粒局部貧鉻現(xiàn)象。當(dāng)鉻含量小于13%時，該部位金屬即由鈍化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為活化狀態(tài)，使鋼的耐蝕性能下降。對該鍛件而言，奧氏體不可能固溶于如此高含量的碳，勢必在晶界等附近形成碳化物，從而使材料的耐蝕性能嚴(yán)重下降。

在奧氏體不銹鋼中，鉻是促進鋼鈍化并使鋼保持穩(wěn)定鈍態(tài)的元素，而且可提高馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，以及奧氏體的穩(wěn)定性。若鉻含量不足，會使鋼耐腐蝕性能及奧氏體組織的穩(wěn)定性下降。

鎳是奧氏體不銹鋼中重要的金屬元素，主要作用是形成并穩(wěn)定奧氏體，并顯著降低σ 相形成的傾向。同時，可降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，甚至可以不出現(xiàn)γ- M 相變，提高奧氏體不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕能力及低溫下優(yōu)良的力學(xué)性能。

在鉻鎳奧氏體不銹鋼中，錳是比較弱的奧氏體形成元素，但具有強烈穩(wěn)定奧氏體的作用。錳含量增加，奧氏體不銹鋼中低溫下會出現(xiàn)脆性轉(zhuǎn)變。同時，錳在消除硫的有害作用時，會形成MnS，而MnS 常常導(dǎo)致鉻鎳奧氏體不銹鋼耐氯化物腐蝕能力下降。此外，錳含量增加，會使鋼的熱傾向性明顯提高，致使晶粒粗大。因此，一般情況下，在鉻鎳奧氏體不銹鋼中錳一般被控制在2%以下。

根據(jù)實測斷裂補強管的化學(xué)成分分析結(jié)果，該奧氏體不銹鋼鍛件的鉻當(dāng)量為14.17，鎳當(dāng)量為13.63。由Schaeffler 圖可知，該鍛件處于奧氏體區(qū)，但距馬氏體區(qū)相當(dāng)接近。在這一區(qū)域內(nèi)，奧氏體組織極不穩(wěn)定，稍有變形，就會產(chǎn)生大量形變馬氏體。對斷裂補強管正常部位及裂紋發(fā)生部位進行金相檢查，均在金相磨面發(fā)現(xiàn)了一定數(shù)量的馬氏體。采用磁性極強的磁鐵測試，開裂的補強管不具有絲毫磁性。分析認(rèn)為，顯微組織中顯示的馬氏體是在磨制金相試樣時，由于磨削變形使其在表面層極薄范圍內(nèi)產(chǎn)生的變形馬氏體，整體試樣仍為單一奧氏體組織。

從表2 可以看出，該不銹鋼鍛件碳含量顯著偏高，是標(biāo)準(zhǔn)含量的2～3 倍，鉻、鎳含量明顯不足，致使鋼的耐腐蝕性能下降，強度增高。而錳含量又明顯超標(biāo)，超過標(biāo)準(zhǔn)成分4 倍之多，造成奧氏體不銹鋼產(chǎn)生嚴(yán)重的過熱傾向，晶粒粗大，嚴(yán)重影響材料的低溫沖擊韌性，因而在低溫下材料變脆。

表2 不銹鋼棒料化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

綜上所述，鍛制奧氏體不銹鋼補強管單一奧氏體組織極不穩(wěn)定，強度增加；在低溫下，出現(xiàn)脆性轉(zhuǎn)變，致使晶粒粗大、碳化物析出，導(dǎo)致材料耐腐蝕性能下降[2]。

1.1.2 組織結(jié)構(gòu)

觀察棒材室溫和- 70℃下沖擊及室溫拉抻試樣顯微組織（圖1—圖4）可以發(fā)現(xiàn)，不銹鋼棒料晶粒極不均勻，晶粒異常粗大，并且在粗大晶粒邊界有少量小晶粒。按YB/ T5148- 2016 標(biāo)準(zhǔn)評定[3]，大部分晶粒評為1～2 級，個別大晶粒評為00 級。表明室溫拉伸試樣在拉伸過程中發(fā)生了顯著塑性變形，其顯微組織出現(xiàn)了大量變形馬氏體。

圖1 不銹鋼棒材室溫顯微組織（×50）

圖2 - 70℃沖擊試樣顯微組織（×50）

圖3 不銹鋼室溫沖擊試驗顯微組織（×50）

圖4 不銹鋼棒料室溫拉抻試樣顯微組織（×50）

1.1.3 力學(xué)性能

表3 為不銹鋼棒料在高溫、室溫及低溫條件下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，由表可知，試料抗拉強度偏高，而伸長率及斷面收縮率等韌性指標(biāo)在低溫時偏低。這是由于碳、錳含量偏高，固溶強化之結(jié)果。

表3 不同溫度狀態(tài)下不銹鋼棒料力學(xué)性能數(shù)據(jù)

1.1.4 沖擊韌性及斷口分析

夏比沖擊試料尺寸為10mm×10mm×50mm，缺口為V 型。試料的夏比沖擊韌性隨溫度變化曲線見圖5。奧氏體不銹鋼屬于面心立方晶格結(jié)構(gòu)，一般情況下在- 196℃以內(nèi)其韌性隨溫度變化很小。而從圖5 可以看到，該奧氏體不銹鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度在- 50～- 60℃，在設(shè)計溫度- 145℃時，該材料已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧稀?/p>

圖5 試料的夏比沖擊韌性隨溫度變化曲線

圖6 顯示了不同溫度下沖擊及室溫拉伸試料斷口的宏觀形貌，由圖可以看出，- 70℃沖擊試樣斷口呈閃晶狀，晶粒異常粗大，斷口毗鄰部位金屬塑性變形不明顯。室溫及室溫以上各溫度下，沖擊試樣斷口基本呈纖維狀，斷口附近金屬發(fā)生了顯著塑性變形；室溫拉伸試樣斷口部位雖然出現(xiàn)了頸縮，但晶粒粗大，杯錐狀不明顯。

圖6 不同溫度下沖擊及拉伸試料斷口宏觀形貌

圖7 為試樣在室溫及- 70℃沖擊及室溫拉伸斷口微觀形貌，斷口宏觀觀察到的粗大的閃晶區(qū)具有解理或準(zhǔn)解理斷裂特征（圖7a、b）；在室溫下，纖維斷口或閃晶之間的纖維區(qū)，其微觀形貌為細小的韌窩斷口（圖7c）。

圖7 試料在室溫及- 70℃沖擊及室溫拉伸斷口微觀形貌

通過材質(zhì)性能分析，鍛制補強管的化學(xué)成分不符合現(xiàn)行GB1220- 92 標(biāo)準(zhǔn)要求。其組織基本正常，但在微小變形下既產(chǎn)生大量形變馬氏體，強度指標(biāo)偏高，韌性儲備偏低，在- 50～- 60℃時出現(xiàn)脆性轉(zhuǎn)變，不能滿足工藝要求。

1.2 鍛制補強管裂紋分析

1.2.1 裂紋分布及特征

圖8 為斷裂補強管側(cè)面宏觀形貌，圖9 為斷裂補強管斷面宏觀形貌。由圖可見，裂紋出現(xiàn)在鍛制補強管與工藝彎頭焊縫附近補強管一側(cè)，距熔合線約5mm 鍛制補強管變截面部位，基本上已經(jīng)完全斷裂。

圖8 斷裂補強管側(cè)面宏觀形貌

圖9 斷裂補強管斷面宏觀形貌

圖10 和圖11 為裂紋部位金相照片。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)點狀腐蝕坑。

圖10 裂紋放大形貌（×50）

圖11 裂紋部位顯微組織（×200）

1.2.2 裂紋斷口

由圖8 和圖9 斷裂鍛制補強管裂紋的宏觀形貌可以看出，斷裂表面基本與補強管軸線垂直，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，裂紋是典型的沿晶斷裂特征。而能譜分析結(jié)果（圖12、圖13）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。

圖12 斷裂補強管裂紋斷口表面能量X射線譜圖

圖13 開裂補強管裂紋斷口表面能量X射線譜圖

表4 列出了三個不同部位原始斷裂表面能譜分析結(jié)果。值得指出的是，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)成分偏析或析出有關(guān)。

表4 鍛制補強管斷口表面能譜分析結(jié)果 wt%

1.2.3 裂紋性質(zhì)及成因

（1）材質(zhì)因素：該鍛制不銹鋼補強管化學(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。能量線譜分析顯示，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)[4]。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。

（2）環(huán)境因素：設(shè)備安裝在5～6 月份進行，正處于雨季，雖然有必要的防護措施，但不可能完全保證雨水不進入塔內(nèi)。試壓時，也是用水作為試驗介質(zhì)。此外，該管口為液位計測量的下口，存在低點袋狀，不利于完全排盡殘留水分。殘留水分在較長時間自然蒸發(fā)，使該部位氯離子局部濃縮、聚集，從而提高了氯離子濃度。

（3）成因分析：鍛制不銹鋼補強管斷裂處位于結(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展，最終導(dǎo)致開裂。裂紋形態(tài)及斷口分析都進一步證明了上述結(jié)論。

2 修復(fù)

鍛制補強管與工藝彎頭基本上完全斷開，其鍛制補強管材質(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)物料進行置換，因此塔內(nèi)不具備動火條件。經(jīng)過反復(fù)論證，決定采用外部包補的方法修復(fù)該設(shè)備。圖14 為外部包補方法示意圖。

圖14 外部包補方法示意圖

首先將原補強管用管刀切除50mm，重新加工合格材質(zhì)的鍛件，將其套入原補強管外部，采用角接接頭形式與塔下封頭連接，采用對接焊接接頭形式與彎頭連接。焊接采用手工氬弧焊焊接，焊絲采用H0Cr21Ni10，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，質(zhì)量合格。裝置開車后，未發(fā)生任何問題。到目前為止，該塔已安全運行6000h，證明修復(fù)工作是有效的。

3 結(jié)論

（1）鍛制補強管斷裂是由于材質(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)采用外部包補方法。建議下次全檢時，按設(shè)計圖樣，予以更換。若無條件更換，對該部位重點進行檢查。

（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時，要特別防護，嚴(yán)禁氯離子長時間留于容器內(nèi)。