沈華西，歐先印，沈國(guó)澳，索選軒，馬琦

1.江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院九江分院 江西九江 332000 2.南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 江西南昌 332020

1 序言

奧氏體不銹鋼對(duì)氯離子敏感，該結(jié)論在國(guó)內(nèi)外研究中較為成熟。但其鐵素體含量超標(biāo)，能否加速晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕，降低材料韌性，這一問題至今少有研究。本文通過對(duì)一臺(tái)不銹鋼醚化釜進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了多處裂紋缺陷，對(duì)其中一處裂紋進(jìn)行處理分析，研究鐵素體含量超標(biāo)是否對(duì)不銹鋼腐蝕造成影響。

2 容器基本概況

一臺(tái)不銹鋼醚化釜容積為8m3，采用半管式加熱，屬于Ⅱ類壓力容器。筒體與封頭材質(zhì)為S30408不銹鋼（牌號(hào)為06Cr19Ni10），主要尺寸和性能參數(shù)為：直徑2000mm，筒體設(shè)計(jì)壁厚14mm，封頭設(shè)計(jì)壁厚16mm，設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，工作壓力0.5MPa，設(shè)計(jì)溫度150℃，使用溫度100℃。設(shè)計(jì)介質(zhì)為二氯乙烷、三氯苯酚及氫氧化鈉等，實(shí)際使用介質(zhì)為液堿、二氯乙烷、氯化鈉和水等。

該醚化釜由無錫神鼎工程技術(shù)有限公司于2020年3月設(shè)計(jì)，制造單位為無錫神州通用容器有限公司，制造日期為2020年5月。使用單位為某化工有限公司，于2020年9月投入使用。2021年9月該單位對(duì)醚化釜進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)保壓過程中壓力無法維持，噴灑泡沫水檢查發(fā)現(xiàn)有多處泄漏。該容器從投入使用到發(fā)現(xiàn)泄漏實(shí)際服役時(shí)間僅為一年。

3 檢驗(yàn)檢測(cè)方案及過程分析

3.1 檢驗(yàn)檢測(cè)方案

結(jié)合該容器的使用情況，制定了檢驗(yàn)檢測(cè)方案，內(nèi)容包括：資料審查、宏觀檢測(cè)、壁厚測(cè)定、滲透檢測(cè)、氣密性試驗(yàn)、金相檢測(cè)及鐵素體檢測(cè)等；檢驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備包括：測(cè)厚儀、滲透檢測(cè)劑、金相檢測(cè)儀及鐵素體檢測(cè)儀等。

該容器夾套為半管，材質(zhì)為S30408不銹鋼，直徑為108mm。根據(jù)壓力容器相關(guān)規(guī)定[1]，該半管夾套不屬于壓力容器，因此該方案不包括半管夾套的檢測(cè)。

3.2 檢驗(yàn)檢測(cè)過程分析

首先開展符合進(jìn)罐檢測(cè)的前期準(zhǔn)備工作，包括拆除保溫棉、搭設(shè)腳手架、內(nèi)部介質(zhì)排放清理、盲板隔斷等。

（1）資料審查 通過查閱該容器的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用管理、檢驗(yàn)檢測(cè)資料等，發(fā)現(xiàn)該容器的實(shí)際使用介質(zhì)與設(shè)計(jì)不符，實(shí)際使用介質(zhì)中含有氯化鈉溶液，氯離子含量較高，其他資料齊全且符合要求。

（2）宏觀檢測(cè) 該容器的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、外觀檢查等均符合要求。

（3）壁厚測(cè)定 通過對(duì)該容器封頭、筒體、接管進(jìn)行測(cè)厚，發(fā)現(xiàn)其與設(shè)計(jì)壁厚相符。

（4）滲透檢測(cè)（PT） 對(duì)該容器的縱、環(huán)焊縫，以及所有接管角焊縫進(jìn)行了PT檢測(cè)，上封頭直段處發(fā)現(xiàn)2處裂紋缺陷。

（5）氣密性試驗(yàn) 該容器實(shí)際使用壓力為0.5MPa，氣密性試驗(yàn)壓力設(shè)定為0.5MPa。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有多處出現(xiàn)漏點(diǎn)，均位于上下封頭的直段、距離環(huán)焊縫10～50mm處。其中，比較嚴(yán)重的一處漏點(diǎn)如圖1所示。該漏點(diǎn)位于上封頭直段的環(huán)焊縫熱影響區(qū)，距離上封頭環(huán)焊縫約10mm。

（6）金相檢測(cè) 對(duì)圖1 處漏點(diǎn)進(jìn)行金相檢測(cè)。打磨后能清晰地觀察到兩條裂紋，每段長(zhǎng)度約5mm，如圖2所示。借助金相顯微鏡觀測(cè)，該裂紋均為穿透性裂紋，如圖3所示。其周邊金相微觀組織如圖4所示。由圖4可知，該裂紋周邊組織發(fā)生了奧氏體晶間腐蝕。

圖1 上封頭直段熱影響區(qū)處漏點(diǎn)

圖2 上封頭直段熱影響區(qū)處裂紋

圖3 金相顯微鏡觀測(cè)下的裂紋

圖4 上封頭直段熱影響區(qū)微觀組織

（7）鐵素體檢測(cè) 經(jīng)檢測(cè)，該容器筒體的鐵素體含量為7.5%（體積分?jǐn)?shù)，下同），上封頭直段處的鐵素體含量為47%（見圖5），上封頭圓弧處鐵素體含量為4.1%。焊縫處的鐵素體含量約5%，下封頭鐵素體檢測(cè)結(jié)果與上封頭類似。

圖5 上封頭直段處鐵素體檢測(cè)

4 缺陷描述及處理措施

4.1 缺陷描述

經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)上下封頭直段多處有穿透性缺陷。針對(duì)其中較嚴(yán)重一處進(jìn)行了金相檢測(cè)，確定該缺陷為兩段不連續(xù)的穿透性裂紋，每段長(zhǎng)度約5mm。其金相微觀組織表明，該裂紋附近組織發(fā)生了奧氏體晶間腐蝕。同時(shí)，對(duì)母材及焊縫進(jìn)行了鐵素體含量測(cè)定，發(fā)現(xiàn)上封頭直段處的鐵素體含量高達(dá)47%，嚴(yán)重超標(biāo)。

4.2 處理措施

建議更換上下封頭，嚴(yán)格控制該容器實(shí)際使用介質(zhì)中的氯離子含量，具體措施分析如下。

1）相關(guān)研究[2]表明，奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量一般為5%～15%。一定數(shù)量的鐵素體對(duì)防止焊接熱裂紋、提高焊縫抗晶間腐蝕均有十分重要的作用。但奧氏體不銹鋼中的鐵素體如果超過該范圍，會(huì)大大增加晶間腐蝕的敏感性；鐵素體含量過高時(shí)，將會(huì)降低材料韌性，甚至造成脆性破壞。該容器封頭直段處的鐵素體含量高達(dá)47%，嚴(yán)重超標(biāo)，因此不僅使該區(qū)域晶間腐蝕發(fā)生的概率大大增加，還會(huì)降低材料韌性。

2）該容器實(shí)際使用介質(zhì)中含有較高的氯離子，可破壞金屬氧化膜保護(hù)層，形成點(diǎn)蝕或坑蝕[3，4]，加速晶間腐蝕的形成。

3）以上兩種因素的疊加，使得該容器封頭直段快速形成晶間腐蝕，降低材料韌性，在拉伸應(yīng)力（容器使用壓力0.5MPa）的作用下，最終產(chǎn)生多處穿透性裂紋。

4）對(duì)一臺(tái)已超過設(shè)計(jì)使用年限的類似不銹鋼容器（材質(zhì)相同，使用介質(zhì)相同，已報(bào)廢）進(jìn)行鐵素體含量檢測(cè)，該容器封頭直段處的鐵素體含量為4.9%，筒體處的鐵素體含量為11.7%，其他部位的鐵素體含量均為5%～15%。結(jié)果表明，鐵素體超標(biāo)與介質(zhì)中含有一定量的氯離子兩者相比，前者更容易導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。

5）該容器僅封頭直段的鐵素體含量超標(biāo)，其他部位的鐵素體含量均在規(guī)定范圍內(nèi)，檢測(cè)時(shí)也未發(fā)現(xiàn)缺陷，由此可推測(cè)，封頭的制造工藝有缺陷。查閱該容器出廠質(zhì)量證明書，發(fā)現(xiàn)該容器封頭為外協(xié)制作，制造工藝為熱壓成形，始?jí)簻囟?050℃，終壓溫度900℃，冷卻方式為空冷，未做固溶處理。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5]可知，采用旋壓成形的封頭直邊和過渡段的鐵素體含量可達(dá)20%，多數(shù)高于20%，且封頭直段與筒體環(huán)縫采用埋弧焊，熱輸入大、溫度高。以上多種因素共同作用導(dǎo)致環(huán)縫焊接后鐵素體聚集在封頭直段處。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）封頭制造工藝缺陷導(dǎo)致封頭直段處的鐵素體含量嚴(yán)重超標(biāo)，增加了晶間腐蝕的敏感性，同時(shí)降低了材料韌性。

2）使用介質(zhì)中氯離子含量較高，加速了晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。兩種因素共同作用，導(dǎo)致該容器使用不到一年，便產(chǎn)生了穿透性裂紋。

3）建議在奧氏體不銹鋼容器常規(guī)檢測(cè)方法基礎(chǔ)上，增加金相和鐵素體檢測(cè)。鐵素體檢測(cè)能夠有效、快捷、準(zhǔn)確地檢測(cè)出奧氏體不銹鋼中鐵素體的含量，不僅可作為奧氏體不銹鋼容器檢測(cè)的一種重要方法，還可為奧氏體不銹鋼容器的隱患排查、缺陷分析、責(zé)任劃分提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

4）該不銹鋼醚化釜采購(gòu)價(jià)近50萬，僅用了一年就出現(xiàn)多處穿透性裂紋，如果不找出原因，則只能報(bào)廢處理或者更換整臺(tái)容器，會(huì)造成大量資源浪費(fèi)。