双相不锈钢复合板压力容器锻件接管开裂失效分析

宋晓俊,马慧平,尹红卫

(1.中国石油塔里木油田公司,新疆 库尔勒 841000;2.巴州卫生学校,新疆 库尔勒 841000)

复合板压力容器因为既具备了不锈钢内覆层较好的耐腐蚀性能,又具有基层碳钢的高强度和低成本的优点[1],广泛地应用在炼油、化工等领域。

中国西部某气田天然气处理站建于2004年,处理规模为3 000×104m3/d,采用J-T阀节流制冷脱水脱烃工艺,主要设备包括汇气管、气液分离器、预冷器和低温分离器等,使处理后的天然气满足产品天然气外输要求[2]。由于该气田属于高含水、高含氯离子的酸性介质气田,处理站进站汇气管在选材时选用了16MnR+2205复合板的材质,底部排污接管选用了2205双相不锈钢锻件材质[3]。

2021年5月,在对汇气管进行检修时发现汇气管排污接管端面存在2处腐蚀坑,现场对腐蚀坑进行打磨、渗透检测,发现腐蚀坑内存在裂纹缺陷,裂纹呈网状,深度40 mm,超过汇气管筒体壁厚的一半。现场利用碳弧气刨切割技术将失效的排污接管从汇气管上切除。为了查明接管开裂的真实原因,对切除的接管开展了化学成分分析、金相检验、断口分析以及晶间腐蚀试验等理化检验和分析[4]。

1 汇气管基本参数和介质

汇气管的主要作用是汇集了站外来气并分配至下游脱水脱烃处理装置,汇气管于 2004 年制造,同年11月投用。汇气管结构见图1。基本参数见表1。汇气管筒体厚度(60+4) mm,直径为DN1 200,长度为15 867 mm,设计压力为 14 MPa,容器材质为 16MnR+SAF2205。

表1 汇气管基本参数

图1 汇气管结构示意

2 理化检验

2.1 宏观检查

失效接管包含法兰和接管两部分,见图2。对外壁进行清洗后发现:法兰外观完好、未见破坏,与法兰连接的接管下部外壁平整、无损伤;但其上部外表面凹凸不平,有大量冷却后的铁水残留,属于典型的电弧切割特征;接管端面有两处气刨槽,槽底均可见到贯穿壁厚的横向裂纹,无其他显著缺陷。

图2 送检接管外壁清理后形貌

2.2 无损检测

按照相关标准分别对送检样品进行射线检测和渗透检测,射线检测未发现裂纹性缺陷;渗透检测,在接管内外壁均未发现缺陷,仅在气刨切割处底部发现裂纹。将裂纹处沿厚度的1/2处剖开,对其做渗透检测,在其端面、剖面均发现裂纹,裂纹深约4 mm。

2.3 取样部位说明

为进一步分析接管失效原因,对送检样品进行取样加工,取样部位见图3。在接管上分别取晶间腐蚀试样、力学分析试样、化学分析试样和低倍组织分析试样;在裂纹处取断口分析试样。取5个金相试样,其中 1号金相试样以管横截面为检验面,2号金相试样以管纵截面为检验面,3号金相试样以管横截面为检验面,4号、5号金相试样以厚度分层截面为检验面。

图3 取样部位示意

2.4 化学成分分析

对送检样品进行化学成分分析,结果见表2。接管化学元素符合NB/T 47010—2010中S22053成分的要求。

表2 化学成分分析结果 w,%

2.5 低倍组织分析

对接管进行低倍组织检验,分别在横截面、纵截面取样,采用王水溶液腐蚀,未发现缺陷。

2.6 金相组织分析

2.6.1 非金属夹杂物

对2号金相试样进行检验,试样经机械抛光,接管的非金属夹杂物级别大于D3级。

2.6.2 显微组织

依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》的规定,试样具体显微组织见表3。对应的金相组织见图4至图8。接管金相组织为奥氏体+铁素体,铁素体质量分数要求为40%～60%,部分两相晶界呈锯齿状,铁素体晶内存在析出相及晶界,部分尺寸较大析出相呈黄色,与奥氏体相颜色相同,部分尺寸较小析出相呈褐色。4号金相试样有裂纹,裂纹长约 4.47 mm,主裂纹旁存在较多分支,沿铁素体内晶界、析出相,夹杂边界、孔洞等扩展。4号、5号试样经抛光后在高倍显微镜下观察,试样内部夹杂物相形态多样,有圆形、长条形,块状等;同一夹杂物内有黑色、灰色及多块小颗粒夹杂物;部分夹杂物存在尖角,并有裂纹延伸、扩展;主裂纹尖端存在孔洞、夹杂物相等,其形貌与大块夹杂物类似,呈灰色、黑色,内部聚集有较多小碎块。

表3 显微组织检验结果

图4 1号金相试样

图5 2号金相试样

图6 3号金相试样

图7 4号金相试样裂纹形貌

图8 5号金相试样形貌(抛光态)

2.7 金相组织微观形貌

2.7.1 王水溶液腐蚀后形貌

为清晰显示试样晶界及析出相颗粒,首先,采用王水溶液对3号金相试样进行腐蚀;其次,在光学显微镜下观察,结果见图9。材料组织中存在块状黄色、黑色相,铁素体晶界或铁素体/奥氏体晶界存在颗粒状析出相,析出相较小。

图9 王水腐蚀后析出相及晶界

2.7.2 扫描电镜下微观形貌

采用扫描电镜对金相试样进行观察,相边界为波浪状,局部晶界存在颗粒状析出相,被着色的铁素体相内出现了较多晶界腐蚀沟槽(见图10)。

2.8 硬度试验

金相试样硬度测试结果见表4。接管硬度值符合GB/T 21833—2008中S22053的要求。

表4 硬度检测结果

2.9 力学性能测定

对送检试样力学性能进行测试,结果见表5。接管拉伸力学性能符合NB/T 47010—2010中S22053的要求,冲击韧性较低,平均值为18.3 J。

表5 力学性能测试数据

2.10 断口形貌分析

拉伸试样形貌见图11。断面粗糙并呈灰色,分为两个明显的区域,芯部较为粗糙,区域为纤维区和辐射区,边缘平整、金属颗粒较小区域为剪切唇区;采用扫描电镜对断口形貌进行观察,芯部以韧窝特征为主,韧窝较深、微孔边缘存在链波状花样;边缘剪切唇区同样以韧窝特征为主,链波状花样数量减少,且出现了聚集性小韧窝。

图11 拉伸断口形貌

冲击试样形貌见图12。断面平整,存在结晶状小刻面及放射状花样,结晶状小刻面一部分发亮、另一部分发暗,这与材料的金相组织有关。发亮的为奥氏体相,发暗的为铁素体相;断面上存在起源于晶界的河流状花样、鱼骨状花样及舌状花样等,微观形貌以解理开裂特征为主;断面局部区域存在韧窝带等韧性开裂特征,为奥氏体晶界部位开裂产生。

现场原始裂纹面形貌见图13。

图13 裂纹处断口形貌

裂纹面呈褐色,这与试验处理过程中经历的高温或裂纹扩展过程中受到介质腐蚀作用有关,裂纹面粗糙、存在金属小刻面;从微观观察,断面存在解理台阶和舌状花样,局部解理面存在未脱落夹杂物或析出相,裂纹面以解理开裂特征为主,局部存在晶间开裂特征。

2.11 垢物成分分析

对裂纹表面成分进行能谱分析,结果见表6。样品含有较多的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有可能是在制造过程中引入的,Si质量分数最高达到8%。

表6 垢物成分分析结果

2.12 晶间腐蚀试验

对失效接管母材试样进行晶间敏化试验,未发现晶间腐蚀裂纹。

3 失效原因综合分析

3.1 失效接管理化检验中发现的问题

失效接管化学成分、拉伸性能和硬度均符合标准要求,但非金属夹杂物数量较多,尺寸较大;同一夹杂物内有黑色、灰色的多块小颗粒;部分夹杂物存在尖角,并有裂纹延伸、扩展,所有这些势必会降低材料的耐蚀性和冲击韧性。

从金相检验结果看,失效接管组织中铁素体相质量分数较奥氏体高,约60%。试样经电解或王水溶液腐蚀后在光学显微镜和扫描电镜下观察发现:铁素体晶界或铁素体/奥氏体晶界析出了颗粒状碳化物,碳化物尺寸较小。经高倍形貌观察发现:奥氏体晶界不够光滑,呈锯齿形,疑似有害相组织;局部奥氏体相,沿晶界出现了颗粒状析出物,为有害的金属间相,但是数量较少,对材料力学性能和晶间腐蚀性能影响不大。正常工艺条件下,2205锻件组织应为奥氏体+铁素体两相组织,铁素体相晶内无晶界或析出相,该组织不正常,失效件冲击韧性也较低,平均约18.3 J。

3.2 铁素体内晶界及析出相的类型分析

依据失效件制造工艺,该失效接管共经历了至少3次热过程,分别为锻造、固溶处理和现场热处理[5-7]。 S22053双相不锈钢标准推荐固溶热处理工艺为1 050～1 100 ℃加热后快冷,锻造始锻温度为1 150 ℃,终锻温度大于950 ℃,现场热处理工艺温度和时间分别为560 ℃和2.5 h。双相钢在350～1 050 ℃温度段内均有产生析出相的可能,结合失效件热过程和析出相特征,需要对析出相的来源和成分进行进一步确认。

3.2.1 二次奥氏体

部分较大尺寸的晶粒呈亮黄色,与组织中奥氏体相颜色相同,怀疑析出相为二次奥氏体。对于S2205双相钢,当材料在1 200 ℃以上加热时,铁素体晶粒急剧长大、奥氏体数量迅速减少, 加热至1 300 ℃时,材料组织转变为单一粗大的铁素体相。在随后的水冷过程中,铁素体晶界就会出现由铁素体转变而生成的二次奥氏体,与组织中的铁素体晶间处形成的奥氏体一致[8]。

3.2.2 析出相类型

失效件经历的热过程温度范围较宽,在冷却过程中如果冷却速度不够,将会产生各种类型的析出相,如M7C3,M23C6,M6C,M2N,σ和τ等类型。

3.3 析出相对材料性能的影响

资料显示,双相不锈钢中的金属间相和σ相等对材料冲击韧性影响较大,以2906超级双相不锈钢为例,当金属间相质量分数达到4%时,其冲击韧性降低至约50 J;当金属间相质量分数达到9%时,其冲击韧性下降至20 J;σ相对SAF2507双相钢的冲击韧性也有类似的影响。从失效接管力学性能检验结果看,材料冲击韧性较低,平均值为18.3 J,从而可断定接管较低的冲击韧性与铁素体晶内、晶界析出相关系密切。从裂纹扩展形貌看,裂纹沿铁素体内晶界、析出相和夹杂物边缘扩展,说明此处强度较两相晶界和晶内强度低或者夹杂物边缘部位已经存在微裂纹扩展。析出相的存在对材料耐点蚀性能也会产生不利影响,以SAF2507钢为例,钢中金属间相质量分数在0.01%时,其临界点蚀温度为70 ℃;当析出相质量分数超过10%时,其临界点蚀温度下降至25 ℃。钢中的氮化物对材料性能有类似的作用,随着氮化物含量的升高,材料的冲击韧性和耐点蚀性能均会降低[9]。

3.4 接管开裂机理分析

失效接管为 S22053Ⅲ级锻件,从现场检验结果分析可知:裂纹位于接管母材,若材料组织中存在有害金属间相组织或较多的夹杂物时,或者在有害金属间相组织或夹杂物存在原始微裂纹时,在运行过程中,裂纹会发生解理开裂和晶间开裂,与实际的检验结果一致。

失效接管位于汇气管底部且长期浸泡在呈弱酸性的气田水中,由于气田水中含有CO2和Cl-等腐蚀介质,使失效接管发生了腐蚀,进一步促进了裂纹的扩展以及有害相或夹杂物部位的腐蚀。从主裂纹尖端形貌看,裂纹沿类似夹杂物的块状组织扩展,主裂纹边缘存在的微裂纹沿铁素体内晶界、块状组织和孔洞等扩展,符合阳极溶解特征[10]。

4 结论及建议

(1)排污接管使用的2205纯不锈钢锻件两相组织中存在析出的金属间相和夹杂物,且金属间相和夹杂物部位还存在微裂纹,从而降低了接管韧性以及耐蚀性能;在有腐蚀性介质的环境中运行从而引起腐蚀开裂和开裂扩展,最终引起接管开裂。

(2)考虑到双相不锈钢热处理的特性,建议2205复合板压力容器在制造时谨慎选择双相不锈钢锻件材料用作接管。