呼立紅，趙 林，鄭麗群，

(1.沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110016 2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽(yáng) 110016)

加氫裝置壓力表彈簧管開(kāi)裂原因分析

呼立紅1，趙 林2，鄭麗群1，2

(1.沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110016 2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧沈陽(yáng) 110016)

某煉油廠加氫裝置高壓換熱器管層出口管線所安裝的不銹鋼耐震壓力表內(nèi)部彈簧管發(fā)生開(kāi)裂，通過(guò)宏觀觀察、電鏡觀察、能譜分析、金相分析、氫含量分析、硬度測(cè)試、綜合分析等手段，對(duì)失效樣件進(jìn)行了檢測(cè)和分析，結(jié)果表明壓力表彈簧管的開(kāi)裂主要是由于工作溫度較高，加上Ni和Mo含量不達(dá)標(biāo)，材料奧氏體不銹鋼內(nèi)部含有過(guò)飽和的氫，由于氫分子不能及時(shí)逸出，在彈簧管扁圓頂部應(yīng)力集中的部位，在濕硫化氫的環(huán)境下，發(fā)生的一種氫損傷，即硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。通過(guò)控制引進(jìn)壓力表的材質(zhì)、對(duì)壓力表的彈簧管需進(jìn)行定氫檢測(cè)、控制介質(zhì)中的水含量、適度降低工作溫度等措施可抑制開(kāi)裂。

加氫 彈簧管 氫損傷 硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

某煉油廠加氫裝置高壓換熱器管層出口管線所安裝的不銹鋼耐震壓力表，安裝一年的時(shí)間發(fā)現(xiàn)壓力表內(nèi)部彈簧管發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。壓力表所在管線的工藝介質(zhì)為餾份油、氫氣、水、硫化氫、氮化物以及氯化物;工作溫度:110-135℃;工作壓力:4.6-5.0 MPa;壓力表運(yùn)行期間無(wú)超常狀況發(fā)生，操作過(guò)程中無(wú)異常操作。彈簧管材質(zhì)為316SS。

1 檢測(cè)分析

1.1 宏觀觀察

宏觀觀察到失效彈簧管裂紋位置位于彈簧管的側(cè)邊部，并大約處于彈簧管彎曲弧度的60-100°位置。肉眼可見(jiàn)裂紋長(zhǎng)度約為20 mm，見(jiàn)圖1。從肉眼觀察，斷裂部位未發(fā)生明顯塑性變形，與未失效的彈簧管進(jìn)行對(duì)比，其彎曲弧度沒(méi)有發(fā)生變化。

圖1 宏觀形態(tài)Fig.1 Macroscopical morphology

1.2 化學(xué)成分分析

表1所示為化學(xué)成分分析結(jié)果，元素Mo和Ni的含量不符合GB/T14976-2002《流體輸送用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。另根據(jù)GB/T222-2006《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定，Mo質(zhì)量濃度的允許偏差是0.1%，而測(cè)量所得Mo質(zhì)量濃度與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度的下限值偏差達(dá)到1.93%;Ni質(zhì)量濃度的允許偏差是0.15%，測(cè)量所得Ni質(zhì)量濃度與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度下限值偏差為2.22%，故失效樣件的化學(xué)成分不符合標(biāo)示的316SS(0Cr17Ni12Mo2)材質(zhì)規(guī)定。

1.3 金相分析

失效件的金相組織形貌見(jiàn)圖2。從微觀小裂紋的走向進(jìn)行觀察，裂紋應(yīng)起源于內(nèi)表面，并向外表面擴(kuò)展，裂紋尖端較鈍。從金相組織結(jié)構(gòu)上看，其組織為正常奧氏體，并能觀察到明顯的滑移線，這是由于加工處理過(guò)程中的形變?cè)斐傻摹?/p>

1.4 電鏡觀察

斷口的微觀形貌如圖3所示，從圖3形貌中可以看到，沿?cái)嗝娴目v向出現(xiàn)較多的二次裂紋;觀察到斷口表面局部有夾雜物;斷口為沿晶和準(zhǔn)解理斷裂，局部有二次裂紋，且二次裂紋的走向全部為縱向，這些微裂紋相連，即可導(dǎo)致厚度方向的 斷裂。

表1 化學(xué)成分分析Table 1 Chemical composition analysis w，%

圖2 微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure

圖3 微觀形貌 2000×Fig.3 Fracture micro-morphology

1.5 能譜分析

對(duì)斷口表面的微區(qū)進(jìn)行能譜分析，除金屬基體元素外，局部氧和硫含量較高，說(shuō)明介質(zhì)中含S，并未檢測(cè)到Cl離子等其他有害元素(如表2所示)。

表2 EDX分析Table 2 EDX analysis

1.6 氫含量分析

通過(guò)定氫儀對(duì)失效樣品的氫含量進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示鋼樣中的平均氫含量為10.2 μg/g。一般來(lái)說(shuō)，氫在鋼鐵中的固溶度室溫下為0.1 μg/g，在高溫下也僅為 3 μg/g［1］，因此檢測(cè)結(jié)果表明，失效樣品內(nèi)部含有過(guò)飽和的氫，與使用溫度高有較大關(guān)系。

1.7 硬度測(cè)試結(jié)果

表3 硬度測(cè)試Table 3 Hardness test(HV)

從硬度測(cè)試結(jié)果看出，扁圓頂部及附近硬度較直線段硬度值高，說(shuō)明頂部是應(yīng)力集中的位置。

2 綜合分析

從裂紋的形狀和斷口特征等因素分析，彈簧管的失效類型屬初步判斷為脆性斷裂。因?yàn)閿嗫谟泻蛭镔|(zhì)，且斷口特征為沿晶和準(zhǔn)解理斷裂，彈簧管在壓扁加工中，彎管頂部外表面位置必然會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，加之厚度較薄，故內(nèi)表面也會(huì)存在一定的拉應(yīng)力作用，而對(duì)應(yīng)的平行管段部位應(yīng)主要受壓應(yīng)力作用。加之裂紋的宏觀走向與拉應(yīng)力方向垂直，說(shuō)明與硫化物的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂相關(guān)。濕H2S環(huán)境中腐蝕產(chǎn)生的氫原子滲入鋼的內(nèi)部固溶于晶格中，使鋼的脆性增加，在外加拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力作用下形成硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC)，其屬于氫致滯后裂紋的一種。

斷口檢測(cè)的硫元素應(yīng)來(lái)源于介質(zhì)中的硫化氫，硫化氫在有水環(huán)境下會(huì)逐級(jí)降解。

溶解質(zhì)子在陰極區(qū)放電產(chǎn)生吸附氫原子:

其中，S2－是吸附氫原子反應(yīng)的有效的“毒化劑”，使陰極反應(yīng)析出的氫原子不易形成氫分子逸出，而在鋼的表面集中并繼續(xù)進(jìn)入鋼中。

在未施加應(yīng)力的條下，氫在化學(xué)勢(shì)作用下過(guò)晶格畸變擴(kuò)散。組織成分中的結(jié)構(gòu)缺陷，如晶界、位錯(cuò)、非金屬夾雜、顯微孔隙等都是氫的陷阱。這些陷阱的存在，使氫的溶解度增加，有效擴(kuò)散系數(shù)降低，促進(jìn)局部氫濃度提高，發(fā)生局部塑性變形而增氫，同時(shí)增加開(kāi)裂傾向。

在存在應(yīng)力的條件下，吸收氫會(huì)優(yōu)先擴(kuò)散到裂紋尖端三向拉伸應(yīng)力區(qū)，引起晶格分離。硬度測(cè)試結(jié)果，說(shuō)明破裂位置是應(yīng)力集中的部位。

定氫檢測(cè)的結(jié)果表明失效樣品中含有過(guò)飽和的氫，氫除了來(lái)源于外部氫，也不排除內(nèi)部氫的影響。從742檢測(cè)結(jié)果看，其氫質(zhì)量濃度達(dá)10.2 μg/g，材料加工中的內(nèi)部氫，主要與熱處理和酸洗等加工過(guò)程有關(guān)。

硫化物應(yīng)力腐蝕屬于延遲破壞，開(kāi)裂可能在鋼材接觸H2S后很短時(shí)間內(nèi)(幾小時(shí)、幾天)發(fā)生，也可能在數(shù)周、數(shù)月或幾年后發(fā)生，但無(wú)論破壞發(fā)生遲早，往往事先無(wú)明顯預(yù)兆。

3 結(jié)論及建議

壓力表彈簧管失效屬硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC)，屬氫致滯后裂紋的一種，其失效的主要原因是工作溫度較高，加上Ni和Mo含量不達(dá)標(biāo)，且內(nèi)部含有過(guò)飽和氫的奧氏體不銹鋼在濕硫化氫環(huán)境中，由于氫分子不能及時(shí)逸出，在拉應(yīng)力的作用下造成的開(kāi)裂。針對(duì)以上失效原因，提出建議如下:

(1)嚴(yán)格控制引進(jìn)壓力表的材質(zhì)情況，進(jìn)料需核對(duì)有效的材質(zhì)分析單(常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)成分)，且為了防止H的富集，最好將材質(zhì)中的S含量降至0.002-0.005%。

(2)對(duì)壓力表的彈簧管需進(jìn)行定氫檢測(cè)，消除氫損傷的內(nèi)部氫環(huán)境。

(3)控制介質(zhì)中的水含量，盡量避免成為濕硫化氫環(huán)境。

(4)適度降低工作溫度

［1］韓順昌等.金屬腐蝕顯微組織圖譜［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008:191～193.

Analysis of Cracking of Pressure Gauge Spring Tube for Hydrogenation Plant

Hu Lihong1，Zhao Lin2，Zheng Liqun1，2
(1.Shenyang ZKwell Corrosion Control Technology Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110180;2.Institute of Metal Research of Chinese Academy of Sciences，Shenyang，Liaoning 110016)

The spring tube installed in the stainless steel pressure gauge on the outlet line of HP heat exchanger in the hydrogenation plant of a refinery cracked.The macro observation，SEM and EDX examinations，energy spectrometry analysis，metallographic analysis，hydrogen content analysis and hardness test of failed samples show that the cracking of spring tube in the pressure gauge is mainly caused by high service temperature.In addition，as the Ni and Mo contents are out of specifications and austenitic stainless steel has higher content of super－saturated hydrogen，these hydrogen molecules can not be released and are concentrated in the stress－concentrated area in the top of oblate tube.The result shows that the cracking mechanism is sulfide stress corrosion cracking.Therefore，the hydrogen damage(i.e.SSCC)occurs in the wet hydrogen sulfide environment.The cracking can be controlled by selection of right material for pressure gauge，hydrogen examination of spring tube，control of water in service media and proper reduction of operating temperature，etc.

hydrogenation，spring tube，hydrogen damage，sulfide stress corrosion cracking

TE665.6

A

1007－015X(2012)04－0044－03

2012－04－ 16;修改稿收到日期:2012－05－22。

呼立紅(1981－)，女，碩士，工程師，主要從事石油化工及電力行業(yè)腐蝕失效分析工作。E-mail:hulh81814@126.com

(編輯 王菁輝)