摘 要:某石化公司不銹鋼波紋管膨脹節發生開裂,采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、能 譜分析等方法研究其開裂原因。結果表明:波紋管膨脹節長期處于氯化物水溶液環境中,在波紋管 加工時產生的殘余應力以及工作中產生的應力作用下,不銹鋼波紋管膨脹節發生氯化物應力腐蝕 開裂。
關鍵詞:不銹鋼;波紋管膨脹節;應力腐蝕開裂
中圖分類號:TG115.2;TB31 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0019-03
波紋管膨脹節在石油化工領域中應用廣泛,具 有耐壓、密封、耐腐蝕、耐沖擊、減振、降噪等功能,起 到減輕設備變形和延長設備使用壽命的作用,但在其 服役過程中,波紋管膨脹節除了發生疲勞破壞及非正 常因素破壞外,還經常發生腐蝕破壞,且以應力腐蝕 破壞為主[1],給裝置的安全生產帶來了極大影響。
某石化公司丁基裝置壓縮機出口附近發生氯甲 烷氣體泄漏,通過泄漏試驗,發現位于壓縮機出口下 方的波紋管膨脹節發生開裂,波紋管的波峰、波谷部 位局部已穿孔,最終導致介質泄漏。該波紋管補償 器于2014年投入使用,設計壓力為1.6MPa,工作 壓力為0.37MPa,設計溫度為110℃,工作溫度為 107℃,工作介質主要包括氯甲烷 (質量分數為 92.21%)、異丁烯(質量分數為4.61%)和水(質量分 數為2.32%),材料為316L不銹鋼。不銹鋼波紋管 膨脹節安裝位置如圖1所示。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
該波紋管膨脹節為U型雙層結構(見圖2)。波 紋管膨脹節開裂處宏觀形貌如圖3所示,波紋管波 峰和波谷部位均有多處開裂,通過進一步觀察,發現 裂紋由內向外擴展,沿環向開裂,開裂裂紋最長處達 到1/2周長,部分裂紋已貫穿,裂紋附近覆蓋著黃褐 色 的銹蝕層。剝離波紋管內、外層后,內層呈碎片狀,開裂波紋管內部宏觀形貌如圖4所示。
1.2 化學成分分析
在開裂波紋管膨脹節上截取試樣,采用直讀光 譜儀對試樣的1# ,2# 位置進行化學成分分析,分析 位置如圖5所示,分析結果如表1所示,參照標準 GB/T3280—2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》,可知 除 Ni、P元素含量偏低外,其他元素含量均滿足標 準要求。
1.3 金相檢驗
圖6 裂紋貫穿微觀形貌 在波紋管膨脹節的斷面及截面取樣、鑲嵌,制備 成金相試樣,將其置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖 6,7所示。由圖6~7可知:波紋管膨脹節材料為奧 氏體組織,裂紋由波紋管內部起裂并向外部擴展,部 分裂紋已貫穿壁厚,裂紋呈樹枝狀穿晶擴展。損傷 呈典型的氯化物應力腐蝕開裂特征。
1.4 能譜分析
對未經污染的裂紋部位進行取樣,并對斷口表 面進行能譜分析,分析位置如圖8所示,能譜分析結 果如表2所示,腐蝕產物中除含有碳、鉻、鐵、鎳等元 素外,還含有1.21%(質量分數)的氯元素及高達 38.24%(質量分數)的氧元素。
2 綜合分析
不銹鋼波紋管膨脹節發生氯離子應力腐蝕開裂 的情況較為常見,根據試驗結果可知,波紋管的化學 成分基本滿足標準要求,其顯微組織正常,材料也滿 足設備使用要求。綜合宏觀觀察、金相檢驗、能譜分 析結果及波紋管膨脹節的運行環境可知,該開裂波紋 管膨脹節是由內向外發生開裂的。由開裂波紋管的 金相檢驗結果可知:典型的樹枝狀穿晶裂紋證明波紋 管發生的是氯化物應力腐蝕開裂。在溫度、拉應力及 氯化物水溶液3個主要因素同時滿足的條件下,300 系列不銹鋼容易發生氯化物應力腐蝕開裂[2]。
波紋管膨脹節材料為316L不銹鋼,運行環境 中含有氯甲烷和水,工作溫度為107℃,波紋管膨脹 節位于壓縮機下方,長期承受機械振動的作用,同時 波紋管制造工藝多為機械成型或者液壓成型,存在 較大的殘余應力,使波紋管膨脹節在工作時的應力 狀態十分復雜[3]。因此,波紋管膨脹節滿足發生氯 化物應力腐蝕開裂的基本條件,在多種因素的共同 作用下,其發生由內至外擴展的氯化物應力腐蝕開 裂。通常情況下,開裂分3個階段:首先是萌生階 段,在金屬表面形成點蝕坑,部分點蝕坑在腐蝕和應 力共同作用下擴展形成初始微裂紋;接著是擴展階 段,局部的初始微裂紋進一步擴展形成宏觀裂縫;最 后是斷裂階段,拉應力進一步集中,裂紋發生快速擴 展,最終材料由于強度不足而發生斷裂。
該斷裂波紋管的工作溫度為107℃,發生氯化 物應力腐蝕開裂的溫度通常高于38℃,且隨溫度的 升高,其開裂敏感性上升。該斷裂波紋管的工作介質包括氯甲烷(質量分數為92.21%),氯離子在波 峰、波谷等部位易濃縮聚集,且波峰、波谷位置形變 產生的應力較高,金相檢驗結果顯示材料有部分馬 氏體組織,同時還有孿晶組織,說明波紋管膨脹節在 生產加工過程中發生了加工硬化,存在較多的殘余 應力,故其開裂敏感性較高。介質中溶解的氧元素 會加速氯化物應力腐蝕開裂,通過腐蝕產物的分析 結果可知,波紋管所處環境介質中的氧元素含量較 高。鎳元素是奧氏體不銹鋼中的主要合金元素,其 作用是強化并穩定奧氏體,鎳元素的質量分數在 8%~12%時,奧氏體不銹鋼發生氯化物應力腐蝕開 裂的敏感性較高,該開裂波紋管中的鎳元素質量分 數約為9.64%,開裂敏感性較高。
3 結語和建議
(1)波紋管膨脹節的制作材料以奧氏體不銹鋼 為主,要有效地提高該種金屬材料的抗氯化物應力 腐蝕開裂能力,主要方法有:將材料中的鎳元素質量 分數提高至35%以上,增加硅元素的添加量,少量 添加合金元素,如鈦、鋁元素等,以及與氮元素或者 碳元素反應活躍的合金元素,可以提高奧氏體不銹 鋼的耐腐蝕性和抗破裂的能力。
(2)在波紋管膨脹節加工制造的過程中,可先 消除其應力。通常對于奧氏體不銹鋼材料,在約 1100℃下對其進行固溶處理,不銹鋼的耐腐蝕性 能會發生明顯改善,降低點蝕坑的發生率。
(3)不銹鋼波紋管膨脹節的服役環境較難更 改,可采取添加緩蝕劑的方式降低點蝕坑的發生率, 從而降低發生氯化物應力腐蝕開裂的敏感性。
(4)進行水壓試驗時,要用干凈的水源,以確保 其不含腐蝕性物質,如采用奧氏體不銹鋼制作波紋 管膨脹節時,要控制水中的氯離子含量,同時將波紋 管補償器中的積水及時排出。
(5)建議提高波紋管的材料等級,如將其升級 到雙相不銹鋼,以避免發生氯化物應力腐蝕開裂。
參考文獻:
[1] 陳彩霞,鄭楊艷.316L不銹鋼波紋管膨脹節開裂原因 分析與預防[J].理化檢驗(物理分冊),2015,51(1): 55-58.
[2] 湯鵬杰,芮樂順,梁斌.S30408不銹鋼法蘭開裂原因 [J].理化檢驗(物理分冊),2022,58(8):46-49.
[3] 佟鐵民,齊義輝,谷志剛.金屬波紋管補償器的應力腐 蝕開裂分析[J].理化檢驗(物理分冊),2012,48(8): 535-537,542.