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硫铵装置316L不锈钢管线开裂原因分析及焊接

来源:至德钢业 日期:2018-12-12 23:43:43 人气:115

硫胺装置DN500×5管线材质为316L不锈钢。在运行中,该管线多次发生腐蚀泄漏事故。本文对管线腐蚀原因进行了分析,提出了相应的解决措施,效果良好。可为类似装置的运行及管线施工提供借鉴。

大庆炼化公司聚合物一厂硫胺装置是该公司主要化工装置之一。该装置大部分管线材质为316L不锈钢。在生产运行中,该装置Φ500×5的不锈钢管线多次发生腐蚀泄漏(见图1)。316L属超低碳不锈钢,其含碳量低于0.03%,能够有效抵抗因碳化物析出而产生的晶间腐蚀,具有良好的抗晶间腐蚀性能,因此管线泄漏原因可基本排除晶间腐蚀的可能,根据泄漏部位和运行介质,初步判断为不锈钢应力腐蚀开裂。

应力腐蚀是指金属在腐蚀性介质和拉应力共同作用下产生的脆性断裂,是奥氏体不锈钢较严重的失效形式之一。主要成因是金属在焊接时,母材和填充金属在高温融合下形成焊缝,高温焊缝随温度降低逐渐冷却,由于热胀冷缩原因,在冷却的同时产生焊缝收缩,焊缝两侧母材金属为阻止焊缝收缩,向两边不断拉伸焊缝,从而形成焊缝处的拉伸应力,造成焊缝部位及近缝区应力集中。应力腐蚀没有塑性变形征兆,一旦发生,腐蚀进展迅速,容易引发重大事故。在金相显微镜下观察,应力腐蚀的裂纹呈树枝状,由根部向尖端逐步深入扩展。

1 管线泄漏原因分析

1.1 应力腐蚀是在拉应力和腐蚀性介质共同作用下产生的,它与单一的由应力产生的破坏及单一的腐蚀性介质引起的破坏不同。应力腐蚀发生时存在的拉应力可以很小,腐蚀性介质也可以较微弱,但只要同时满足这两个条件,就会发生应力腐蚀。

1.2 硫铵装置不锈钢管线运行温度在90 ℃左右,工作压力微负压至0.01MPa之间,运行介质主要为饱和硫酸溶液。介质中富含氢离子、硫酸根离子和大量水蒸气,形成腐蚀性电解质溶液。316L不锈钢中存在铁、铬、镍等金属元素和杂质,各种金属及杂质的电极电位不同,在饱和硫酸电解质溶液中形成无数个微小的微电池组,在电化学腐蚀的作用下阳极金属失去电子,阴极金属得到电子。电子的运动造成阳极金属的不断溶解,使阳极金属产生微裂纹,随着电化学腐蚀的进行,裂纹不断扩大。

1.3 从被割开的腐蚀管线可以看到,该管线由卷板机卷制加工而成,纵焊缝的两侧存在卷板时留下的直边,纵焊缝两侧存有较大的加工残余拉应力。同时,施工质量未达到相关施工标准,施工时焊缝对口间隙过小,多处未焊透。对口错边量超过2 mm的规定值,这些缺陷的存在使焊缝本身应力过于集中,焊缝中存在大量焊接残余应力。

1.4 管子端部的封头为冷旋压封头,在封头边缘处存在冷加工残余应力。

1.5 以上特征同时满足发生应力腐蚀具备的条件,因此在拉伸应力和腐蚀性介质的共同作用下,该管线多处发生应力腐蚀泄漏。腐蚀情况见图2、图3

2 金相分析验证

为进一步验证这一判断,用等离子切割机在管线上对泄漏部位进行切割取样,再做金相组织分析。首先把裂纹的尖端部位用机械加工方法加工成金相试块,经过打磨、抛光后用显微镜进行观察,未见明显缺陷。然后把金相试块放在王水中浸泡腐蚀,继续在显微镜下观察,可见到明显的腐蚀开裂(见图4)。裂纹尖端较尖锐,成树枝状扩展,符合典型的应力腐蚀特征。结合上述分析,可确定该硫铵装置316L不锈钢管线泄漏原因为不锈钢应力腐蚀开裂。

3 整改措施

为阻止应力腐蚀继续发生,对原有DN500×5旧管线全部进行更换,由无缝钢管取代原有的卷管,并在更换管线的过程中采取了减少应力集中的措施,有效避免了应力腐蚀开裂再次发生。施工要点如下:

3.1 材料复验

按照管线产品质量证明文件要求,对新购进的不锈钢无缝钢管进行金相组织分析及机械性能复验,确保管材质量符合标准要求。3.2 消除应力

对旋压封头冷加工后存在的残余应力进行固溶处理,消除加工残余应力。

3.3 正确选择焊接材料

正确选择焊接材料,是保证焊接质量的关键。根据316L不锈钢母材的化学成分,用于氩弧焊接的打底焊丝选用H00Cr19Ni12Mo2,用于手工焊填充、盖面的焊条选用A022不锈钢焊条。焊接前焊丝要打磨干净,焊条使用前应在300~350℃下烘干,保温一小时,使用时放在保温桶内。

3.4 切割、打磨

管道坡口加工采用管道坡口机在现场加工,单面坡口角度为35°,并保留2 mm钝边,组对前把坡口内外两侧各20 mm范围内的毛刺、油污等清理干净。

3.5 组对、吊装

为减少焊接残余应力,管线组对时严禁强力对口,所有管线都应在自由状态下完成组对装配。对口错边量严格控制在2 mm以下。组对的工卡具应用316L材质制成。组对合格后,在焊缝圆周均匀点焊四点,每处点焊长度不小于15 mm,并对点焊处进行打磨、清理、观察,确保焊点无焊接缺陷,尤其应注意,打磨、清理时要用专用砂轮片和钢丝刷。

3.6 焊接工艺及注意事项

3.6.1 316L不锈钢导热系数低,焊接膨胀系数大,容易产生收缩变形而造成应力集中。为有效减少焊接线能量,减少焊接残余应力,焊接工艺采用33道焊。第一层焊道采用氩弧焊打底,有效地保证了根焊道质量。为提高焊接效率,填充、盖面均采用手工电弧焊焊接,见图5

3.6.2 焊前在焊道两侧各100 mm范围内涂刷白垩土,可有效防止焊接飞溅。焊接时严格控制在母材上随意引弧,引弧时使用与管线同材质的引弧板。为进一步控制焊接线能量,焊接时一定要采用小电流、短弧焊的焊接方法,严禁焊条做横向摆动。为控制电弧电压,电弧弧长控制在2 mm以下,焊接参数见表1。焊接其它位置时,电流要比平焊缝减小约10 %。为避免在收弧时产生弧坑裂纹,收弧时要填满弧坑,并采用反复熄弧、引弧的焊接收尾方式。焊接时两名焊工按对称焊接的顺序焊接,进一步减小了焊接残余应力的产生。

3.6.3 根据不同的焊接环境,采取相应的保证焊接质量的措施。316L不锈钢属奥氏体不锈钢,焊接性能良好,焊前无需预热。为防止焊缝过热影响抗腐蚀性能,焊道层间温度控制在150℃以下。根据硫铵管线厚度以及运行温度、压力、介质状况,无需对管线进行焊后消除应力热处理。

按上述方案将管线更换后,经多年运行再未发生类似腐蚀泄漏事故。实践证明,只要按照正确的方法进行施工和焊接,316L不锈钢完全可以克服应力腐蚀造成的破坏。

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