符海龍

（南通星球石墨股份有限公司，江蘇 南通 226541）

0 引言

某公司石墨氯化氫合成爐配套設(shè)備—蒸汽閃發(fā)罐開(kāi)車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)后一段時(shí)間出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)拆開(kāi)保溫層后看到，泄漏點(diǎn)位于該不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐體下封頭直邊部位，其余筒體及上封頭部位未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐與二合一石墨氯化氫合成爐管口連接示意圖如圖1所示。

圖1 蒸汽閃發(fā)罐與二合一石墨氯化氫合成爐管口連接圖

泄漏點(diǎn)描述：點(diǎn)狀、每間隔一段距離出現(xiàn)，整個(gè)下封頭圓周共計(jì)出現(xiàn)20多個(gè)泄漏點(diǎn)。由于該設(shè)備介質(zhì)是0.8MPa的飽和水蒸汽，故泄漏點(diǎn)源源不斷的向外噴出霧狀過(guò)熱水。如圖2～圖5所示。

圖2

圖3

圖4

圖5

1 檢測(cè)分析

1.1 不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

該臺(tái)蒸汽閃發(fā)罐由奧氏體不銹鋼材質(zhì)制造，規(guī)格F1600×12mm，材質(zhì)S30408，該設(shè)備設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，工作壓力0.8MPa。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 設(shè)備制造數(shù)據(jù)

1.2.1 封頭

封頭規(guī)格F1600×12mm（δmin=8.7mm）由封頭制造廠冷旋壓成型工藝而成，所屬地特檢院出具監(jiān)檢合格證書(shū)。封頭制造廠原材料質(zhì)保書(shū)及復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 S30408封頭理化指標(biāo)數(shù)據(jù)

1.2.2 筒體

筒體規(guī)格F1600×2000×12mm，筒體原材料質(zhì)保書(shū)及復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 S30408筒體理化指標(biāo)數(shù)據(jù)

按照GB/T 150-2011標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)奧氏體不銹鋼開(kāi)平板復(fù)驗(yàn)其力學(xué)性能指標(biāo)，所以未對(duì)其原材料進(jìn)行化學(xué)分析復(fù)驗(yàn)。

1.3 壁厚分析

隨機(jī)測(cè)量不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐體上封頭、下封頭和筒體壁厚變化情況，重點(diǎn)對(duì)下封頭泄漏處圓周進(jìn)行壁厚測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

從表4中可以看到，上封頭和筒體部位未有壁厚減薄現(xiàn)象，下封頭直邊段壁厚數(shù)值大小從8.72～2.17mm不等，且無(wú)規(guī)律可言，說(shuō)明下封頭直邊段出現(xiàn)了腐蝕減薄現(xiàn)象，直至泄漏點(diǎn)發(fā)生。下封頭小R部位也存在著明顯的減薄現(xiàn)象。

表4 壁厚測(cè)試數(shù)據(jù)

1.4 硬度分析

隨機(jī)測(cè)量不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐體上封頭、下封頭和筒體板材硬度，重點(diǎn)對(duì)上、下封頭直邊段及小R部位測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 硬度測(cè)試數(shù)據(jù)

從表5中可以看到，筒體部位硬度值復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24511-2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼板和鋼帶》要求：對(duì)于材質(zhì)為S30408經(jīng)固溶處理的奧氏體不銹鋼室溫下的硬度值不大于201HB[1]。按照表5硬度測(cè)試數(shù)據(jù)可知：筒體硬度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，封頭小R部位硬度增高，封頭直邊段硬度達(dá)到最大值，足以說(shuō)明奧氏體不銹鋼封頭在冷旋壓成型過(guò)程中，因金屬塑性變形產(chǎn)生了比較顯著的冷作硬化現(xiàn)象[2]。

1.5 介質(zhì)分析

從圖1可以看到，不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐中的介質(zhì)“飽和水蒸汽”來(lái)自于二合一石墨氯化氫合成爐殼體中的“過(guò)熱水+濕蒸汽”，所以直接引用《氯化氫合成爐不銹鋼殼體泄漏檢測(cè)分析與建議》文中水溶液介質(zhì)樣品氯離子測(cè)定值來(lái)分析，其氯離子含量為10.8ppm，如表6所示。

表6 介質(zhì)水溶液檢測(cè)報(bào)告

1.6 蒸汽閃發(fā)罐工作原理分析

蒸汽閃發(fā)罐中的飽和水蒸汽介質(zhì)，是來(lái)自于二合一石墨氯化氫合成爐中的過(guò)熱水+濕蒸汽，進(jìn)入蒸汽閃發(fā)罐中部分汽化后，蒸汽從上封頭接管往外輸送，另外一部分過(guò)熱水從罐體下半部位接管再輸送到二合一石墨氯化氫合成爐殼體中。所以蒸汽閃發(fā)罐中的液位保持在罐體的一半高度。也即該臺(tái)奧氏體不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐內(nèi)的上半部是蒸汽氣相空間，而下半部是過(guò)熱水液相空間。

1.7 封頭成型分析

從封頭成形方式來(lái)分析，該罐體上封頭、封頭下系冷旋壓成形，熱處理方式：無(wú)。也即封頭旋壓成形后未進(jìn)行固溶處理。符合GB/T 25198-2010《壓力容器封頭》規(guī)定的“除圖樣另有規(guī)定，冷成形的奧氏體不銹鋼半球形、橢圓形、蝶形封頭以及平板形封頭，成型后可不進(jìn)行熱處理[3]?！狈忸^在冷旋壓過(guò)程中，封頭的直邊和小R部位的金屬產(chǎn)生不均勻的塑性變形，內(nèi)表面受拉，外表面受壓。無(wú)論是拉還是壓，金屬都產(chǎn)生了塑性變形。金屬塑性變形是通過(guò)滑移實(shí)現(xiàn)的，晶體滑移產(chǎn)生位錯(cuò)，位錯(cuò)的纏結(jié)使晶粒被拉長(zhǎng)、晶粒破碎和纖維化，使材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力[2]。由于直邊部位冷旋壓成形工藝，促使部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，發(fā)生馬氏體相變，形成板條狀馬氏體。

1.8 罐體制造分析

罐體制造在裝配封頭時(shí)，環(huán)縫焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，加上罐體使用狀態(tài)下存在內(nèi)壓引起的膜應(yīng)力，都會(huì)在環(huán)焊縫附近產(chǎn)生較大的拉 應(yīng)力。

2 泄漏產(chǎn)生原因綜合分析

2.1 介質(zhì)因素

因?yàn)檎羝W發(fā)罐罐內(nèi)介質(zhì)中含有氯離子，而封頭直邊段形成的板條狀馬氏體中，由于存在大量的缺陷，如位錯(cuò)、空位等晶體缺陷聚集合并會(huì)產(chǎn)生大量的孔蝕源，使奧氏體不銹鋼的孔蝕敏感性下降。此時(shí)，介質(zhì)中氯離子就會(huì)迅速浸入孔蝕源，孔內(nèi)發(fā)生快速腐蝕，以垂直于金屬表面的方向，向金屬內(nèi)部滲入，直至發(fā)生晶間破裂或穿晶破裂，從而出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

2.2 受力因素

通過(guò)一系列的分析可以看出，罐體封頭直邊部位在工作狀態(tài)下受力有：一是罐體上下封頭成形過(guò)程中，直邊段和小R部位產(chǎn)生馬氏體相變，材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力；二是罐體環(huán)縫焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力；三是罐體在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

綜上所述，奧氏體不銹鋼蒸汽閃發(fā)罐罐體下封頭直邊段，由于氯離子的存在，加上存在著三組力的共同作用，使得下封頭直邊段出現(xiàn)了晶間腐蝕穿透，從而出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。而上封頭由于處于蒸汽氣相空間，雖然也存在著三組力作用因素，但由于不存在氯離子，固然未出現(xiàn)腐蝕穿透現(xiàn)象。

3 預(yù)防措施

3.1 封頭成形

對(duì)S30408非穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體不銹鋼，建議由冷旋壓成形工藝改變?yōu)闇爻尚渭庸すに?。有關(guān)資料顯示[4]，封頭在不同溫度下加工對(duì)馬氏體的轉(zhuǎn)化也有一定的影響。奧氏體不銹鋼在低于形變誘發(fā)馬氏體相變臨界溫度Md時(shí)，塑性變形會(huì)在常溫下冷加工就會(huì)使部分奧氏體組織轉(zhuǎn)化為馬氏體。馬氏體的上轉(zhuǎn)變溫度一般為馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度的Ms點(diǎn)（-19°）以上320℃左右，封頭在常溫下通過(guò)壓鼓和翻邊等強(qiáng)力冷旋壓成型后，由于晶格變形的作用造成奧氏體穩(wěn)定性降低，引起馬氏體轉(zhuǎn)變。所以，針對(duì)S30408等非穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體不銹鋼，宜采用溫成形 工藝。

3.2 固溶處理

建議必要時(shí)對(duì)奧氏體不銹鋼封頭進(jìn)行固溶處理（1025℃～1075℃，0.5～1h，強(qiáng)制空冷或水冷）或穩(wěn)定化熱處理（850℃～930℃），改善和消除在冷旋壓成形中產(chǎn)生的應(yīng)力。

3.3 控制介質(zhì)中PH值含量

對(duì)石墨氯化氫殼體系統(tǒng)中的介質(zhì)進(jìn)行PH值監(jiān)控，添加微量的“強(qiáng)堿弱酸鹽”溶液，促使罐內(nèi)“過(guò)熱水”介質(zhì)呈弱堿性狀態(tài)，排除氯離子對(duì)奧氏體不銹鋼罐體的威脅。

3.4 封頭選材

建議奧氏體不銹鋼封頭鋼板選用鎳含量高和穩(wěn)定狀態(tài)奧氏體不銹鋼S30403，S31603材料來(lái)制造。根據(jù)報(bào)導(dǎo)，當(dāng)鎳的質(zhì)量比在25.5%～26.0%以上時(shí)，奧氏體不銹鋼在室溫下不能誘發(fā)馬氏體相變。