硫銨裝置316L不銹鋼管線開裂原因分析及焊接注意事項

 硫胺裝置DN500×5管線材質(zhì)為316L不銹鋼管。在運行中，該管線多次發(fā)生腐蝕泄漏事故。浙江至德鋼業(yè)有限公司對管線腐蝕原因進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的解決措施，效果良好?？蔀轭愃蒲b置的運行及管線施工提供借鑒。大慶煉化公司聚合物一廠硫胺裝置是該公司主要化工裝置之一。該裝置大部分管線材質(zhì)為316L不銹鋼管。在生產(chǎn)運行中，該裝置Φ500×5的不銹鋼管線多次發(fā)生腐蝕泄漏。316L屬超低碳不銹鋼，其含碳量低于0.03%，能夠有效抵抗因碳化物析出而產(chǎn)生的晶間腐蝕，具有良好的抗晶間腐蝕性能，因此管線泄漏原因可基本排除晶間腐蝕的可能，根據(jù)泄漏部位和運行介質(zhì)，初步判斷為不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂。

 應(yīng)力腐蝕是指金屬在腐蝕性介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂，是奧氏體不銹鋼較嚴(yán)重的失效形式之一。主要成因是金屬在焊接時，母材和填充金屬在高溫融合下形成焊縫，高溫焊縫隨溫度降低逐漸冷卻，由于熱脹冷縮原因，在冷卻的同時產(chǎn)生焊縫收縮，焊縫兩側(cè)母材金屬為阻止焊縫收縮，向兩邊不斷拉伸焊縫，從而形成焊縫處的拉伸應(yīng)力，造成焊縫部位及近縫區(qū)應(yīng)力集中。應(yīng)力腐蝕沒有塑性變形征兆，一旦發(fā)生，腐蝕進(jìn)展迅速，容易引發(fā)重大事故。在金相顯微鏡下觀察，應(yīng)力腐蝕的裂紋呈樹枝狀，由根部向尖端逐步深入擴(kuò)展。

一、管線泄漏原因分析

 1. 應(yīng)力腐蝕是在拉應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的，它與單一的由應(yīng)力產(chǎn)生的破壞及單一的腐蝕性介質(zhì)引起的破壞不同。應(yīng)力腐蝕發(fā)生時存在的拉應(yīng)力可以很小，腐蝕性介質(zhì)也可以較微弱，但只要同時滿足這兩個條件，就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

 2. 硫銨裝置不銹鋼管線運行溫度在90 ℃左右，工作壓力微負(fù)壓至0.01MPa之間，運行介質(zhì)主要為飽和硫酸溶液。介質(zhì)中富含氫離子、硫酸根離子和大量水蒸氣，形成腐蝕性電解質(zhì)溶液。316L不銹鋼管中存在鐵、鉻、鎳等金屬元素和雜質(zhì)，各種金屬及雜質(zhì)的電極電位不同，在飽和硫酸電解質(zhì)溶液中形成無數(shù)個微小的微電池組，在電化學(xué)腐蝕的作用下陽極金屬失去電子，陰極金屬得到電子。電子的運動造成陽極金屬的不斷溶解，使陽極金屬產(chǎn)生微裂紋，隨著電化學(xué)腐蝕的進(jìn)行，裂紋不斷擴(kuò)大。

 3. 從被割開的腐蝕管線可以看到，該管線由卷板機(jī)卷制加工而成，縱焊縫的兩側(cè)存在卷板時留下的直邊，縱焊縫兩側(cè)存有較大的加工殘余拉應(yīng)力。同時，施工質(zhì)量未達(dá)到相關(guān)施工標(biāo)準(zhǔn)，施工時焊縫對口間隙過小，多處未焊透。對口錯邊量超過2mm的規(guī)定值，這些缺陷的存在使焊縫本身應(yīng)力過于集中，焊縫中存在大量焊接殘余應(yīng)力。

 4. 管子端部的封頭為冷旋壓封頭，在封頭邊緣處存在冷加工殘余應(yīng)力。

 5. 以上特征同時滿足發(fā)生應(yīng)力腐蝕具備的條件，因此在拉伸應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)的共同作用下，該管線多處發(fā)生應(yīng)力腐蝕泄漏。腐蝕情況見圖。

二、金相分析驗證

 為進(jìn)一步驗證這一判斷，用等離子切割機(jī)在管線上對泄漏部位進(jìn)行切割取樣，再做金相組織分析。首先把裂紋的尖端部位用機(jī)械加工方法加工成金相試塊，經(jīng)過打磨、拋光后用顯微鏡進(jìn)行觀察，未見明顯缺陷。然后把金相試塊放在王水中浸泡腐蝕，繼續(xù)在顯微鏡下觀察，可見到明顯的腐蝕開裂。裂紋尖端較尖銳，成樹枝狀擴(kuò)展，符合典型的應(yīng)力腐蝕特征。結(jié)合上述分析，可確定該硫銨裝置316L不銹鋼管線泄漏原因為不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂。

三、整改措施

 為阻止應(yīng)力腐蝕繼續(xù)發(fā)生，對原有DN500×5不銹鋼管線全部進(jìn)行更換，由無縫鋼管取代原有的卷管，并在更換管線的過程中采取了減少應(yīng)力集中的措施，有效避免了應(yīng)力腐蝕開裂再次發(fā)生。施工要點如下：

 1. 材料復(fù)驗

   按照管線產(chǎn)品質(zhì)量證明文件要求，對新購進(jìn)的不銹鋼無縫鋼管進(jìn)行金相組織分析及機(jī)械性能復(fù)驗，確保管材質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

 2. 消除應(yīng)力

   對旋壓封頭冷加工后存在的殘余應(yīng)力進(jìn)行固溶處理，消除加工殘余應(yīng)力。

 3. 正確選擇焊接材料

  正確選擇焊接材料，是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)316L不銹鋼管母材的化學(xué)成分，用于氬弧焊接的打底焊絲選用H00Cr19Ni12Mo2，用于手工焊填充、蓋面的焊條選用A022不銹鋼焊條。焊接前焊絲要打磨干凈，焊條使用前應(yīng)在300~350℃下烘干，保溫一小時，使用時放在保溫桶內(nèi)。

 4. 切割、打磨

  管道坡口加工采用管道坡口機(jī)在現(xiàn)場加工，單面坡口角度為35°，并保留2mm鈍邊，組對前把坡口內(nèi)外兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)的毛刺、油污等清理干凈。

 5. 組對、吊裝

  為減少焊接殘余應(yīng)力，管線組對時嚴(yán)禁強(qiáng)力對口，所有管線都應(yīng)在自由狀態(tài)下完成組對裝配。對口錯邊量嚴(yán)格控制在2mm以下。組對的工卡具應(yīng)用316L不銹鋼管材質(zhì)制成。組對合格后，在焊縫圓周均勻點焊四點，每處點焊長度不小于15mm，并對點焊處進(jìn)行打磨、清理、觀察，確保焊點無焊接缺陷，尤其應(yīng)注意，打磨、清理時要用專用砂輪片和鋼絲刷。

 6. 焊接工藝及注意事項

   a. 因316L不銹鋼管導(dǎo)熱系數(shù)低，焊接膨脹系數(shù)大，容易產(chǎn)生收縮變形而造成應(yīng)力集中。為有效減少焊接線能量，減少焊接殘余應(yīng)力，焊接工藝采用3層3道焊。第一層焊道采用氬弧焊打底，有效地保證了根焊道質(zhì)量。為提高焊接效率，填充、蓋面均采用手工電弧焊焊接。

   b. 焊前在焊道兩側(cè)各100mm范圍內(nèi)涂刷白堊土，可有效防止焊接飛濺。焊接時嚴(yán)格控制在母材上隨意引弧，引弧時使用與管線同材質(zhì)的引弧板。為進(jìn)一步控制焊接線能量，焊接時一定要采用小電流、短弧焊的焊接方法，嚴(yán)禁焊條做橫向擺動。為控制電弧電壓，電弧弧長控制在2mm以下，焊接參數(shù)見表。焊接其它位置時，電流要比平焊縫減小約10%。為避免在收弧時產(chǎn)生弧坑裂紋，收弧時要填滿弧坑，并采用反復(fù)熄弧、引弧的焊接收尾方式。焊接時兩名焊工按對稱焊接的順序焊接，進(jìn)一步減小了焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

   c. 根據(jù)不同的焊接環(huán)境，采取相應(yīng)的保證焊接質(zhì)量的措施。316L不銹鋼管屬奧氏體不銹鋼，焊接性能良好，焊前無需預(yù)熱。為防止焊縫過熱影響抗腐蝕性能，焊道層間溫度控制在150℃以下。根據(jù)硫銨管線厚度以及運行溫度、壓力、介質(zhì)狀況，無需對管線進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。

  按上述方案將管線更換后，經(jīng)多年運行再未發(fā)生類似腐蝕泄漏事故。實踐證明，只要按照正確的方法進(jìn)行施工和焊接，316L不銹鋼管完全可以克服應(yīng)力腐蝕造成的破壞。