转化炉氧-蒸汽混合管线焊缝开裂失效探讨

陈树锋

摘要：通过对转化装置氧-蒸汽混合管线焊接接头进行失效分析，找出焊接接头失效的原因，进而采取有效措施，通过规范焊接工艺、提高材质、调整工艺操作条件等措施，彻底解决管线泄漏的问题。

关键词：失效分析； 转化炉；裂纹；腐蚀

中图分类号： TG4 文献标识码： A

引言 ：

我公司转化装置于2012年3月安装，5月投入运行，装置运行半年后，在管道装配的焊缝和热影响区处普遍出现多处裂缝，造成介质气体泄漏，失效管道材质为304 不锈钢，管道中的介质为氧气与水蒸气的混合气体（其中氧气的温度为 115℃，水蒸气为250℃；氧气水蒸气体积比为 1 : 0.019）。304 不锈钢 （0Cr18Ni9）属于奥氏体不锈钢，具有优良的塑性、韧性以及冷加工性等，在氧化性酸、大气、蒸汽等介质中均具有较好的耐蚀性，在石油、化 工等行业获得了广泛的应用。其主要合金元素化学成分为：C:≤0.08%，Mn ：2.00%，Cr：18~20%，Ni ：8~12%；其余合金元素含量为：S:≤0.03%，P:≤0.035%， Si :≤1.00%。

1分析方法

分析检测主要从以下三个方面进行： 1）从管道失效部位处截取试样，制备金相试样，观察试样缺陷位置宏观形 貌以及微观金相组织，进行金相缺陷分析；

2）在带裂纹的管道上截取含裂纹的试样，沿裂纹处将断口打开，通过扫描 电镜（SEM）观察断口形貌，检测断面的化学成分组成； 3）利用能谱分析仪，检测管道母材、焊缝热影响区、焊缝以及产生裂纹周边组织的化学成分，进行对比分析。 2 实验结果 2.1 金相组织分析利用体式显微镜和金相显微镜观察试样的宏观形貌以及金相组织。图1 为试样包含裂纹的焊接接头宏观形貌。图2~5 分别为试样焊缝区、熔合区、热影响区及母材的金相组织。 从图2~5 可以看出，管道母材主要是细小均匀的奥氏体组织，焊缝区主要是白色的奥氏体和黑色的铁素体组织。热影响区组织与母材相比，晶粒尺寸变大，其中母材平均晶粒大小为30μm 左右，热影响区为50μm 左右。

图1焊接接头宏观形貌（x16） 图2 焊缝区金相组织（x200） 图3熔合区金相组织（x200）

2.2 SEM 分析

2.2.1 断面SEM 分析

在管道上切割截取包含裂纹的试样，沿裂纹处将断口打开，通过扫描电镜（SEM）进行断口分析。断面上存在大量颗粒，初步判断为裂纹区氧化物。撕裂状的形貌是制备试样中形成的。也可以看出由于高温蒸汽氧化腐蚀的的作用，加剧了裂纹的延伸。氧化物颗粒附近的试样很容易断裂。

2.2.2 沿管道厚度横截面试样SEM 分析

对于金相观察后的试样，选取一个具有裂纹典型特征的试样，进行SEM 观察。裂纹中均存在颗粒状的氧化物，裂纹不仅向纵深发展，而且沿横向也有分支。焊缝区裂纹主要以沿晶裂纹为主，而热影响区裂纹以穿晶形式开裂。热影响区裂纹扩展很快，形成了管状孔洞，这主要是因为在焊接过程中存在原始裂纹，热影响区粗大的晶粒脆化，在管道应力作用下裂纹极易扩展。

2.3 能谱分析

利用能谱分析仪，对母材、热影响区和焊缝组织的化学成分进行对比分析。并对断口裂纹区的化学成分进行分析。

为断口试样上放大至5000 倍后整个区域的能谱分析结果。为断口试样放大5000 倍后晶粒处的能谱图和成分分布表。

可以看出，为断口试样上断开区域缝隙间的部分，从前面金相分析初步判断为氧化物。 晶粒处的化学成分比较可以看到， 裂纹处的氧的含量与基材晶粒处相比增加很多，铬的含量与晶粒相比也有明显的增加，含碳量也有微小的增加，而铁、镍的含量与基材晶粒相比减小，这证明了焊接接头裂纹区颗粒状物质为富铬的氧化物。这是因为在焊接热过程中在晶界上会析出Cr，造成晶界附近的贫铬现象材料钝态遭到了破坏，耐腐蚀性降低。高温水蒸气中大量氧的存在，进入试样中扩散富集与裂纹前端，形成一个氧化物聚集区，在裂纹尖端应力集中作用下，裂纹在氧化物中不断长大并扩展。合金元素的分布和扫描电镜结果均说明了这一裂纹扩展过程，形成应力腐蚀裂纹。而焊缝区中心区域的裂纹受到腐蚀作用较小，裂纹扩展相对较小。

3 分析结论 1）综上所述，管道裂纹按照裂纹产生的位置可以分为三种： 焊缝区裂纹由焊缝根部未焊透或焊缝中气孔、裂纹等缺陷引发，向焊缝中心扩展，有明显沿晶开裂特征，并存在沿晶氧化腐蚀现象。 熔合区附近裂纹有穿晶和沿晶特征，并呈现多发性，主要由未焊透造成。热影响区裂纹具有穿透性特征，属脆性裂纹，同时也存在沿晶氧化腐蚀现象，主要是由于焊接过程中热输入过大，晶粒粗大、脆化，在管道内压作用下扩展形成。

2）同时，根据管线的操作条件分析，该管线中有水蒸汽凝结成液相水，并且工艺温度120-150℃正是奥氏体不锈钢易遭受应力腐蚀、点蚀、和在富氧的高温高压水中发生晶间腐蚀的温度，介质中的富氧对奥氏体不锈钢的开裂更起强烈的促进作用

4 改建建议1）由于奥氏体不锈钢对富氧环境下晶间腐蚀的敏感性，建议改进管线材质，选用超低碳不锈钢316L，提 高管材抗介质腐蚀的能力。

2）从分析结论看出，焊缝区、熔合区、热影响区裂纹都是由于焊接不规范而引发的，应规范焊接工艺打底焊，采用氩弧焊打底；焊接电流80-100A，直流反接，保证层间温度≤100℃。确保打底焊接时根部完全焊透，并与管材之间圆滑过渡。 盖面焊，采用 φ2.5-3.2mm 焊条，焊接电流≤100A；可采用间断焊，保证层间温度≤100℃，中间可采取水冷处理措施。

参考文献

[1]天华化工机械及自动化研究设计院.《腐蚀与防护手册》[M].北京：化学工业出版社出版.2009.

[2]朱中平,薛剑峰,李智诚.《锅炉与压力容器常用金属材料手册》[M].北京：中国物资出版社.2001.