硫黄回收装置液硫泵蒸汽回流管失效分析

陈 勇

(中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270)

硫黄回收装置液硫泵蒸汽回流管失效分析

陈 勇

(中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300270)

硫黄回收装置液硫输送泵的蒸汽回流管多次发生开裂，开裂位置均为焊接接头部位，裂纹起源于焊缝焊趾，沿环向扩展，最终扩展至弯头母材，开裂长度达半周以上;外弯处焊缝错边量约1 mm，内弯处存在整圈1.5 mm高的未熔合。文章对液硫输送泵蒸汽回流管的开裂弯头进行了宏观检验、成分分析、金相检验和能谱分析，并结合工艺条件、对腐蚀机理和检测结果进行了失效分析，通过分析得出蒸汽回流管开裂主要是由于焊接质量不高、金相组织不均匀和热处理不好等原因导致焊接结构存在高残余应力，这些残余应力在连多硫酸环境下发生应力腐蚀开裂所至;提出了更换材质减少应力腐蚀开裂和控制焊接成型质量避免焊接缺陷的建议。

液硫 应力腐蚀开裂 连多硫酸 奥氏体钢

自2008年2月安装投用后，硫黄回收装置DGCY25-200液硫输送泵的蒸汽回流管先后发生两次开裂。2010年4月8日抽吸时，液硫压力异常低，当把蒸汽回流管从液硫池中取出检查时，发现管道多处开裂并已裂透，开裂位置均为焊接接头部位。

1 检验检测

1.1 宏观检验

观察开裂样管，发现开裂部位在弯头外表面内弯处，裂纹起源于焊缝焊趾，沿环向扩展，最终扩展至弯头母材，开裂贯穿长度达半周以上，见图1。

图1 样管裂纹示意Fig.1 The schematic diagram of pipe crack

对样管剖开后进行检查，发现存在焊接结构缺陷，外弯处焊缝错边量约1 mm，内弯处存在整圈1.5 mm高的未熔合。外表面裂纹长度比内表面长，由此可知裂纹源位于外表面;母材焊缝余高高度不一，裂纹源位置焊缝余高明显低，见图2。

图2 焊缝缺陷照片Fig.2 Weld defects picture

1.2 化学成分分析

蒸汽回流管化学成分分析结果见表1。蒸汽回流管化学成分与ASTM A276-1997《不锈钢棒材和型材》中规定的321成分相比，S含量高。

1.3 金相检验

对蒸汽回流管靠近裂纹端处的焊缝和母材进行金相检验。焊缝金相组织为奥氏体加铁素体，母材金相组织为奥氏体;母材组织不均匀，热处理(固溶处理及稳定化处理)效果不好，见图3和图4。熔合线处组织可明显看到晶界颜色偏深，说明晶界已经腐蚀，且部分连成网状见图5。

从微观形貌看裂纹源靠近母材外表面熔合线，主裂纹平直、较粗。裂纹有少许分支，分支尖端较小，为沿晶与穿晶相结合形式开裂。断面无塑性变形呈脆性特征，为典型的应力腐蚀裂纹形貌，见图6。

表1 蒸汽回流管化学成分Table 1 Chemical composition of steam return pipe w，%

图3 母材金相组织 200×Fig.3 The microstructure of parent materials

图4 焊缝金相组织 200×Fig.4 The microstructure of weld joint

图5 熔合线金相组织 200×Fig.5 The microstructure of fusion line

图6 裂纹形貌 200×Fig.6 The morphology of Crack

1.4 铁素体含量测量

用铁素体仪测蒸汽回流管的铁素体含量，检测结果为，焊缝处铁素体的质量分数为3.4%，母材处为0.0%。

1.5 能谱分析

对样管开裂处端面的腐蚀产物进行能谱分析，分析结果见表2。由表2可见腐蚀产物为硫化物、氧化物和无氯化物。

表2 能谱分析结果Table 2 The results of energy spectrum analysis

2 失效分析

(1)从宏观看裂纹源位于外表面焊缝熔合线上，焊接质量不高，存在错边、余高高度不一和未熔合现象。

化学成分S含量高，使材质容易开裂。S元素对钢的力学性能、焊接性能、耐腐蚀性能均有不利影响。因钢中硫主要以硫化铁形式存在，硫化铁与铁形成低熔点共晶体分布于晶界上，钢在焊接时由于低熔点共晶体熔化，使钢材沿晶界开裂，发生“热脆”，容易引起焊接热裂纹。

(2)从微观形貌看母材为热处理(固溶处理及稳定化处理)效果不好的奥氏体，化学成分和组织结构相对不均匀，耐腐蚀性降低，较易发生晶间腐蚀。裂纹呈沿晶与穿晶相结合形貌，为应力腐蚀开裂形貌。熔合线处晶界已经被腐蚀，且部分连成网状。通过能谱分析，腐蚀产物中不含氯离子，只有硫和氧，为硫环境下的连多硫酸应力腐蚀开裂。

(3)发生连多硫酸腐蚀开裂的机理:管道浸泡在液硫介质环境中，液硫中含有H2S和活性硫，其化学性质活泼，在高温无水的情况下，可直接与设备表面的金属铁发生化学反应而生成FeS。FeS在设备表面形成一层致密的膜，从某种意义上来说，对设备可起到一定的保护作用，阻止了其它物料对设备表面的进一步腐蚀。但是，当液硫输送完毕，液面降到一定位置时，管道就暴露在空气中，空气中含有大量O2和水分与设备表面的FeS发生反应，便可生成连多硫酸(H2SxO6=3，4，5…)，连多硫酸的生成构成了应力腐蚀环境［1－2］。

奥氏体不锈钢经过焊接或者在430～815℃区域附近停留会发生敏化，容易发生应力腐蚀开裂。连多硫酸的腐蚀开裂往往与奥氏体不锈钢的晶间腐蚀密切相关，这种腐蚀首先是引起连多硫酸晶间腐蚀，接着引起连多硫酸应力腐蚀开裂。

由于在高温时大量的C作为Cr23C6在晶界析出，形成连续的贫Cr区，导致沿晶敏感性增大，使得熔合线附近组织的晶界较脆弱，容易被腐蚀。

(4)残余应力的存在给应力腐蚀开裂提供了很好的条件。焊缝余高高度不连续，焊缝余高明显低的熔合线处存在应力集中，应力较高，此处已遭受晶间腐蚀，于是裂纹源在此萌生。由于应力较大，母材组织不好，裂纹由裂纹源向母材方向脆性断裂。

另外管道与泵连接，泵对管道产生了较大的振动载荷，在不断疲劳载荷作用下，加速了应力腐蚀开裂进程。

3 结论

蒸汽回流管开裂的主要原因为:不锈钢焊接结构存在高残余应力，其在连多硫酸环境下发生应力腐蚀开裂。

4 建议

(1)将蒸汽回流管材质更换为碳钢或铬钼合金钢，(如Cr5Mo)，可减少应力腐蚀开裂;

(2)控制焊缝成型质量，避免焊接缺陷，所有焊缝要焊透，表面要圆滑过渡。

［1］邹德敬，赵守辉.不锈钢设备的连多硫酸应力腐蚀开裂机理与防护［J］. 辽宁化工，2009，(38):43-45.

［2］刘建忠.不锈钢管道的应力腐蚀开裂及对策［J］.腐蚀与防护.2002，23(2):76-78.

Analysis of Failure of Steam Return Line for Liquid Sulfur Pump in Sulfur Recovery Unit

Chen Yong
(SINOPEC Tianjin Company，Tianjin 300270)

The steam return line for liquid sulfur pump in the sulfur recovery unit fractured many times.The fractures were located in the welded joints，and the cracks originated from weld and promulgated circumferentially to the base metal of elbow.The length of cracking was as long as half circumference.The fractured elbow of steam return line was analyzed by macro testing，composition analysis，metallographic analysis and energy dispersion spectrum(EDS).The corrosion mechanisms and testing results were studied based upon process conditions.It is concluded from analysis that the main culprits of fracture of the steam return line are poor welding quality，un － uniform metallographic structure and unsatisfactory heat treatment，which resulted in high residue stress in welds and stress corrosion cracking(SCC)in polythionic acid environment.It is recommended to use new materials，reduce SSC，control welding quality and eliminate welding defects.

liquid sulfur，stress corrosion cracking，polythionic acid，austenitic steel

TE928

A

1007－015X(2012)01－0055－03

2011－08－ 24;修改稿收到日期:2011－11－29。

陈勇(1982-)，男，2009年毕业于河北工业大学化工过程机械专业，硕士，工程师，现在中国石油化工股份有限公司天津分公司装备研究院静设备室从事无损检测、理化检测及失效分析等工作。E-mail:xywlchy@163.com。

(编辑 寇岱清)