对石化公司混氢原料蜡线装置裂纹部位进行化学成分分析和金相检测,找出裂纹产生原因并提出预防措施。

一、前言

在服役条件较恶劣的承压设备检验中,裂纹是一种危害性较大的缺陷,常出现于各种加氢反应器内壁,换热器壳体,管线钢管等的焊接部位。针对石化公司混氢原料蜡线装置裂纹进行分析研究,对承压设备的缺陷检验及缺陷防范提供参考。

二、检验情况

1.宏观检验

在某石化公司混氢原料蜡线装置检验中,在弯管与大小头连接焊缝部位、大小头热影响区位置,发现一条长26mm的裂纹,裂纹位于弯管侧平面,平行于熔合线,距离熔合线0.5mm。

2.化学成分分析

采用SPECTROTEST型移动式直读光谱仪对弯管母材、大小头母材和焊缝进行化学成分分析,查阅设备资料,弯管、大小头材料为奥氏体不锈钢(0Cr18Ni9),分析表明,混氢原料蜡线弯管、大小头和焊缝化学成分符合标准要求。

3.金相分析

采用XH-500型现场视频金相仪对弯管母材及热影响区、大小头母材及热影响区和焊缝组织进行金相分析。弯管母材及弯管侧热影响区均为奥氏体组织,晶粒度45级。大小头母材为奥氏体组织,晶粒度3级,大小头侧热影响区亦为奥氏体组织,但其晶粒度异常粗大,为1级。

1显示在100×条件下,可见焊缝金相组织为比较均匀的胞状奥氏体组织。

2显示,在100×条件下存在裂纹的大小头侧热影响区处金相组织。裂纹位于热影响区晶粒长大部位,沿奥氏体晶界扩展为主(图2a),裂纹尖端穿晶发展(图2b),总体为混合型裂缝。

三、裂纹产生原因分析

焊接Cr、Ni纯奥氏体不锈钢主要存在三个问题,分别是焊接裂纹、接头腐蚀和时效脆化,而焊接裂纹的产生按其裂纹生成的原因又可分为结晶裂纹、高温液化裂纹和高温脆性裂纹。

熔融的熔敷金属在凝固结晶过程中,当残留在凝固晶粒间的液体薄膜被收缩应力拉开而又不能用足够的液体金属填满时,就会形成结晶裂纹。这种裂纹?;岢鱿衷诤阜熘?,尤其是易发生在焊缝收尾部分和弧坑处。在焊接热影响区的过热区,焊接的高温加热使该区域母材局部熔化。在冷却时的凝固过程中,局部熔融的母材金属的晶界,也可能出现上述晶间的液体薄膜被拉开而无法填补的现象,导致在热影响区的过热区产生高温液化裂纹。在过热区,材料虽然没有发生局部熔融,但在高温下,如果塑性降到很低水平,也可能在应力作用下由于塑性不足而产生高温脆性裂纹。

现场对发生裂纹部位进行打磨后重新进行焊接,焊后检查未发现裂纹,隔天进行渗透检测,结果发现在大小头侧热影响区再次发生裂纹,因此可以排除裂纹是由于焊接因素导致的原因。

根据宏观检验,裂纹平行于熔合线,距熔合线0.5mm,位于大小头侧热影响区,可以排除结晶裂纹。根据金相分析,该奥氏体不锈钢晶粒异常粗大导致单位体积晶界面积减小,因此在晶界上产生的低熔点物质,如FeS、Fe 3 PNi 3 P等单位晶界面积含量增高,在冷却凝固过程中极易产生高温液化裂纹,同时晶粒异常粗大,会导致该区域塑性降低,极易在应力作用下产生高温脆性裂纹。从上述分析可以看出,大小头侧热影响区奥氏体组织晶粒的异常粗大,是导致焊接裂纹产生的直接原因。

对于奥氏体不锈钢锻件而言,奥氏体组织晶粒大小主要取决于始锻温度以及终锻温度下的变形控制。奥氏体不锈钢的锻造温度主要受高温铁素体形成温度的限制,当钢的加热温度超过此温度时,钢中原有的游离铁素体(α相)的含量便会显著增多。这些钢中δ相铁素体的出现温度大致在11001300℃范围内,随钢号不同而有所变化。奥氏体不锈钢的始锻温度一般为11501200℃,终锻温度一般为825850℃。当始锻温度过高,会直接导致晶粒变大,锻造时变形量不足,则不会在锻造中打碎粗大的晶粒。所以为了得到细晶粒组织,在锻造中应严格控制加热温度、锻造温度、锻造比、锻造力这些参数。

对于锻造后进行的固熔处理而言,高的固熔温度可使锻件提高蠕变断裂强度,但同时会引起晶粒组织粗大,导致其抗腐蚀能力降低。采用较低的固熔处理温度,就会降低蠕变断裂强度,但是奥氏体组织晶粒较细。所以对于锻造后进行的固熔处理,严格控制固熔温度也是非常重要的环节。

四、结论和建议

1)混氢原料蜡线装置管道大小头侧热影响区检验中发现的裂纹,产生原因是奥氏体组织晶粒的异常粗大。

2)为防止同类裂纹产生,应严格控制奥氏体不锈钢组织中晶粒的大小。对锻件主要应控制两个方面:①锻造中严格控制加热温度、锻造温度、锻造比、锻造力这些参数。②严格控制锻造后的固熔温度。

3)对于使用单位,应对同批奥氏体不锈钢锻件进行全面普查,对其焊缝进行100%渗透检测,发现缺陷的管件及时更换。对于奥氏体不锈钢材料部件的入厂验收,应严格按照相关标准和技术要求进行,以防止类似裂纹的产生。