宋曉俊,馬慧平,尹紅衛(wèi)

(1.中國石油塔里木油田公司,新疆 庫爾勒 841000;2.巴州衛(wèi)生學校,新疆 庫爾勒 841000)

復合板壓力容器因為既具備了不銹鋼內(nèi)覆層較好的耐腐蝕性能,又具有基層碳鋼的高強度和低成本的優(yōu)點[1],廣泛地應(yīng)用在煉油、化工等領(lǐng)域。

中國西部某氣田天然氣處理站建于2004年,處理規(guī)模為3 000×104m3/d,采用J-T閥節(jié)流制冷脫水脫烴工藝,主要設(shè)備包括匯氣管、氣液分離器、預冷器和低溫分離器等,使處理后的天然氣滿足產(chǎn)品天然氣外輸要求[2]。由于該氣田屬于高含水、高含氯離子的酸性介質(zhì)氣田,處理站進站匯氣管在選材時選用了16MnR+2205復合板的材質(zhì),底部排污接管選用了2205雙相不銹鋼鍛件材質(zhì)[3]。

2021年5月,在對匯氣管進行檢修時發(fā)現(xiàn)匯氣管排污接管端面存在2處腐蝕坑,現(xiàn)場對腐蝕坑進行打磨、滲透檢測,發(fā)現(xiàn)腐蝕坑內(nèi)存在裂紋缺陷,裂紋呈網(wǎng)狀,深度40 mm,超過匯氣管筒體壁厚的一半?，F(xiàn)場利用碳弧氣刨切割技術(shù)將失效的排污接管從匯氣管上切除。為了查明接管開裂的真實原因,對切除的接管開展了化學成分分析、金相檢驗、斷口分析以及晶間腐蝕試驗等理化檢驗和分析[4]。

1 匯氣管基本參數(shù)和介質(zhì)

匯氣管的主要作用是匯集了站外來氣并分配至下游脫水脫烴處理裝置,匯氣管于 2004 年制造,同年11月投用。匯氣管結(jié)構(gòu)見圖1。基本參數(shù)見表1。匯氣管筒體厚度(60+4) mm,直徑為DN1 200,長度為15 867 mm,設(shè)計壓力為 14 MPa,容器材質(zhì)為 16MnR+SAF2205。

表1 匯氣管基本參數(shù)

圖1 匯氣管結(jié)構(gòu)示意

2 理化檢驗

2.1 宏觀檢查

失效接管包含法蘭和接管兩部分,見圖2。對外壁進行清洗后發(fā)現(xiàn):法蘭外觀完好、未見破壞,與法蘭連接的接管下部外壁平整、無損傷;但其上部外表面凹凸不平,有大量冷卻后的鐵水殘留,屬于典型的電弧切割特征;接管端面有兩處氣刨槽,槽底均可見到貫穿壁厚的橫向裂紋,無其他顯著缺陷。

圖2 送檢接管外壁清理后形貌

2.2 無損檢測

按照相關(guān)標準分別對送檢樣品進行射線檢測和滲透檢測,射線檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋性缺陷;滲透檢測,在接管內(nèi)外壁均未發(fā)現(xiàn)缺陷,僅在氣刨切割處底部發(fā)現(xiàn)裂紋。將裂紋處沿厚度的1/2處剖開,對其做滲透檢測,在其端面、剖面均發(fā)現(xiàn)裂紋,裂紋深約4 mm。

2.3 取樣部位說明

為進一步分析接管失效原因,對送檢樣品進行取樣加工,取樣部位見圖3。在接管上分別取晶間腐蝕試樣、力學分析試樣、化學分析試樣和低倍組織分析試樣;在裂紋處取斷口分析試樣。取5個金相試樣,其中 1號金相試樣以管橫截面為檢驗面,2號金相試樣以管縱截面為檢驗面,3號金相試樣以管橫截面為檢驗面,4號、5號金相試樣以厚度分層截面為檢驗面。

圖3 取樣部位示意

2.4 化學成分分析

對送檢樣品進行化學成分分析,結(jié)果見表2。接管化學元素符合NB/T 47010—2010中S22053成分的要求。

表2 化學成分分析結(jié)果 w,%

2.5 低倍組織分析

對接管進行低倍組織檢驗,分別在橫截面、縱截面取樣,采用王水溶液腐蝕,未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.6 金相組織分析

2.6.1 非金屬夾雜物

對2號金相試樣進行檢驗,試樣經(jīng)機械拋光,接管的非金屬夾雜物級別大于D3級。

2.6.2 顯微組織

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》的規(guī)定,試樣具體顯微組織見表3。對應(yīng)的金相組織見圖4至圖8。接管金相組織為奧氏體+鐵素體,鐵素體質(zhì)量分數(shù)要求為40%～60%,部分兩相晶界呈鋸齒狀,鐵素體晶內(nèi)存在析出相及晶界,部分尺寸較大析出相呈黃色,與奧氏體相顏色相同,部分尺寸較小析出相呈褐色。4號金相試樣有裂紋,裂紋長約 4.47 mm,主裂紋旁存在較多分支,沿鐵素體內(nèi)晶界、析出相,夾雜邊界、孔洞等擴展。4號、5號試樣經(jīng)拋光后在高倍顯微鏡下觀察,試樣內(nèi)部夾雜物相形態(tài)多樣,有圓形、長條形,塊狀等;同一夾雜物內(nèi)有黑色、灰色及多塊小顆粒夾雜物;部分夾雜物存在尖角,并有裂紋延伸、擴展;主裂紋尖端存在孔洞、夾雜物相等,其形貌與大塊夾雜物類似,呈灰色、黑色,內(nèi)部聚集有較多小碎塊。

表3 顯微組織檢驗結(jié)果

圖4 1號金相試樣

圖5 2號金相試樣

圖6 3號金相試樣

圖7 4號金相試樣裂紋形貌

圖8 5號金相試樣形貌(拋光態(tài))

2.7 金相組織微觀形貌

2.7.1 王水溶液腐蝕后形貌

為清晰顯示試樣晶界及析出相顆粒,首先,采用王水溶液對3號金相試樣進行腐蝕;其次,在光學顯微鏡下觀察,結(jié)果見圖9。材料組織中存在塊狀黃色、黑色相,鐵素體晶界或鐵素體/奧氏體晶界存在顆粒狀析出相,析出相較小。

圖9 王水腐蝕后析出相及晶界

2.7.2 掃描電鏡下微觀形貌

采用掃描電鏡對金相試樣進行觀察,相邊界為波浪狀,局部晶界存在顆粒狀析出相,被著色的鐵素體相內(nèi)出現(xiàn)了較多晶界腐蝕溝槽(見圖10)。

2.8 硬度試驗

金相試樣硬度測試結(jié)果見表4。接管硬度值符合GB/T 21833—2008中S22053的要求。

表4 硬度檢測結(jié)果

2.9 力學性能測定

對送檢試樣力學性能進行測試,結(jié)果見表5。接管拉伸力學性能符合NB/T 47010—2010中S22053的要求,沖擊韌性較低,平均值為18.3 J。

表5 力學性能測試數(shù)據(jù)

2.10 斷口形貌分析

拉伸試樣形貌見圖11。斷面粗糙并呈灰色,分為兩個明顯的區(qū)域,芯部較為粗糙,區(qū)域為纖維區(qū)和輻射區(qū),邊緣平整、金屬顆粒較小區(qū)域為剪切唇區(qū);采用掃描電鏡對斷口形貌進行觀察,芯部以韌窩特征為主,韌窩較深、微孔邊緣存在鏈波狀花樣;邊緣剪切唇區(qū)同樣以韌窩特征為主,鏈波狀花樣數(shù)量減少,且出現(xiàn)了聚集性小韌窩。

圖11 拉伸斷口形貌

沖擊試樣形貌見圖12。斷面平整,存在結(jié)晶狀小刻面及放射狀花樣,結(jié)晶狀小刻面一部分發(fā)亮、另一部分發(fā)暗,這與材料的金相組織有關(guān)。發(fā)亮的為奧氏體相,發(fā)暗的為鐵素體相;斷面上存在起源于晶界的河流狀花樣、魚骨狀花樣及舌狀花樣等,微觀形貌以解理開裂特征為主;斷面局部區(qū)域存在韌窩帶等韌性開裂特征,為奧氏體晶界部位開裂產(chǎn)生。

現(xiàn)場原始裂紋面形貌見圖13。

圖13 裂紋處斷口形貌

裂紋面呈褐色,這與試驗處理過程中經(jīng)歷的高溫或裂紋擴展過程中受到介質(zhì)腐蝕作用有關(guān),裂紋面粗糙、存在金屬小刻面;從微觀觀察,斷面存在解理臺階和舌狀花樣,局部解理面存在未脫落夾雜物或析出相,裂紋面以解理開裂特征為主,局部存在晶間開裂特征。

2.11 垢物成分分析

對裂紋表面成分進行能譜分析,結(jié)果見表6。樣品含有較多的C,O,Si,Ti,Cr和Fe元素;以及少量的Al,S,Cl,K和Ca元素。其中,Si和Ti有可能是在制造過程中引入的,Si質(zhì)量分數(shù)最高達到8%。

表6 垢物成分分析結(jié)果

2.12 晶間腐蝕試驗

對失效接管母材試樣進行晶間敏化試驗,未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋。

3 失效原因綜合分析

3.1 失效接管理化檢驗中發(fā)現(xiàn)的問題

失效接管化學成分、拉伸性能和硬度均符合標準要求,但非金屬夾雜物數(shù)量較多,尺寸較大;同一夾雜物內(nèi)有黑色、灰色的多塊小顆粒;部分夾雜物存在尖角,并有裂紋延伸、擴展,所有這些勢必會降低材料的耐蝕性和沖擊韌性。

從金相檢驗結(jié)果看,失效接管組織中鐵素體相質(zhì)量分數(shù)較奧氏體高,約60%。試樣經(jīng)電解或王水溶液腐蝕后在光學顯微鏡和掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn):鐵素體晶界或鐵素體/奧氏體晶界析出了顆粒狀碳化物,碳化物尺寸較小。經(jīng)高倍形貌觀察發(fā)現(xiàn):奧氏體晶界不夠光滑,呈鋸齒形,疑似有害相組織;局部奧氏體相,沿晶界出現(xiàn)了顆粒狀析出物,為有害的金屬間相,但是數(shù)量較少,對材料力學性能和晶間腐蝕性能影響不大。正常工藝條件下,2205鍛件組織應(yīng)為奧氏體+鐵素體兩相組織,鐵素體相晶內(nèi)無晶界或析出相,該組織不正常,失效件沖擊韌性也較低,平均約18.3 J。

3.2 鐵素體內(nèi)晶界及析出相的類型分析

依據(jù)失效件制造工藝,該失效接管共經(jīng)歷了至少3次熱過程,分別為鍛造、固溶處理和現(xiàn)場熱處理[5-7]。 S22053雙相不銹鋼標準推薦固溶熱處理工藝為1 050～1 100 ℃加熱后快冷,鍛造始鍛溫度為1 150 ℃,終鍛溫度大于950 ℃,現(xiàn)場熱處理工藝溫度和時間分別為560 ℃和2.5 h。雙相鋼在350～1 050 ℃溫度段內(nèi)均有產(chǎn)生析出相的可能,結(jié)合失效件熱過程和析出相特征,需要對析出相的來源和成分進行進一步確認。

3.2.1 二次奧氏體

部分較大尺寸的晶粒呈亮黃色,與組織中奧氏體相顏色相同,懷疑析出相為二次奧氏體。對于S2205雙相鋼,當材料在1 200 ℃以上加熱時,鐵素體晶粒急劇長大、奧氏體數(shù)量迅速減少, 加熱至1 300 ℃時,材料組織轉(zhuǎn)變?yōu)閱我淮执蟮蔫F素體相。在隨后的水冷過程中,鐵素體晶界就會出現(xiàn)由鐵素體轉(zhuǎn)變而生成的二次奧氏體,與組織中的鐵素體晶間處形成的奧氏體一致[8]。

3.2.2 析出相類型

失效件經(jīng)歷的熱過程溫度范圍較寬,在冷卻過程中如果冷卻速度不夠,將會產(chǎn)生各種類型的析出相,如M7C3,M23C6,M6C,M2N,σ和τ等類型。

3.3 析出相對材料性能的影響

資料顯示,雙相不銹鋼中的金屬間相和σ相等對材料沖擊韌性影響較大,以2906超級雙相不銹鋼為例,當金屬間相質(zhì)量分數(shù)達到4%時,其沖擊韌性降低至約50 J;當金屬間相質(zhì)量分數(shù)達到9%時,其沖擊韌性下降至20 J;σ相對SAF2507雙相鋼的沖擊韌性也有類似的影響。從失效接管力學性能檢驗結(jié)果看,材料沖擊韌性較低,平均值為18.3 J,從而可斷定接管較低的沖擊韌性與鐵素體晶內(nèi)、晶界析出相關(guān)系密切。從裂紋擴展形貌看,裂紋沿鐵素體內(nèi)晶界、析出相和夾雜物邊緣擴展,說明此處強度較兩相晶界和晶內(nèi)強度低或者夾雜物邊緣部位已經(jīng)存在微裂紋擴展。析出相的存在對材料耐點蝕性能也會產(chǎn)生不利影響,以SAF2507鋼為例,鋼中金屬間相質(zhì)量分數(shù)在0.01%時,其臨界點蝕溫度為70 ℃;當析出相質(zhì)量分數(shù)超過10%時,其臨界點蝕溫度下降至25 ℃。鋼中的氮化物對材料性能有類似的作用,隨著氮化物含量的升高,材料的沖擊韌性和耐點蝕性能均會降低[9]。

3.4 接管開裂機理分析

失效接管為 S22053Ⅲ級鍛件,從現(xiàn)場檢驗結(jié)果分析可知:裂紋位于接管母材,若材料組織中存在有害金屬間相組織或較多的夾雜物時,或者在有害金屬間相組織或夾雜物存在原始微裂紋時,在運行過程中,裂紋會發(fā)生解理開裂和晶間開裂,與實際的檢驗結(jié)果一致。

失效接管位于匯氣管底部且長期浸泡在呈弱酸性的氣田水中,由于氣田水中含有CO2和Cl-等腐蝕介質(zhì),使失效接管發(fā)生了腐蝕,進一步促進了裂紋的擴展以及有害相或夾雜物部位的腐蝕。從主裂紋尖端形貌看,裂紋沿類似夾雜物的塊狀組織擴展,主裂紋邊緣存在的微裂紋沿鐵素體內(nèi)晶界、塊狀組織和孔洞等擴展,符合陽極溶解特征[10]。

4 結(jié)論及建議

(1)排污接管使用的2205純不銹鋼鍛件兩相組織中存在析出的金屬間相和夾雜物,且金屬間相和夾雜物部位還存在微裂紋,從而降低了接管韌性以及耐蝕性能;在有腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中運行從而引起腐蝕開裂和開裂擴展,最終引起接管開裂。

(2)考慮到雙相不銹鋼熱處理的特性,建議2205復合板壓力容器在制造時謹慎選擇雙相不銹鋼鍛件材料用作接管。