锻制补强管断裂原因分析及修复

张世升

北京燕华工程建设有限公司 北京 102502

锻制补强管断裂原因分析及修复

张世升

北京燕华工程建设有限公司 北京 102502

一台新制奥氏体不锈钢低温塔在未达到操作温度条件下，塔底锻制补强管突然断裂。分析了裂纹产生的原因，对修复过程进行了叙述，为今后避免类似事故的发生提出了意见与建议。

补强管 断裂 分析 修复

国内某乙烯装置中脱甲烷塔是按GB150设计、并依据JB4710制造、检验及验收的更新设备，其材质为0Gr18Ni9（标准化学成分见表1），规格Φ1900/Φ2400/Φ3500×63350，设计压力0.8MPa，设计温度-145℃，属一类压力容器。工艺流程中，该塔主要用途是在低温条件下将C1从烃中分离出来。该塔建成后在当年十月投入运行，打通流程降温至-70℃时，塔底47#管口锻制补强管突然断裂，造成烃类泄漏，装置被迫停车。

为使装置安全运行，急需对该设备锻制补强管进行分析、评定，在理论和实际许可的条件下，采取相应措施进行修补。

1 缺陷性质及成因分析

该塔为新制设备，使用前，全部焊缝经100%无损检验，均未发现超标缺陷，且设备承受了常温下的压力试验及沉降试验，符合制造及检查标准要求，在常温、有压条件下无任何破坏迹象。在无压低温条件下突然断裂，说明材料在抗低温性能上存在一定问题，因此，从材质损伤分析入手，逐步揭示锻制补强管断裂的原因。

1.1 裂纹分布及特征

裂纹出现在锻制补强管与工艺弯头焊缝附近补强管一侧，距熔合线约5mm锻制补强管变截面部位基本上已经完全断裂。断裂补强管侧面宏观形貌及断裂补强管断面宏观形貌见图1和图2。

从裂纹发生部位显微组织看，金相组织为奥氏体＋富铬碳化物，裂纹有多个成核区，基本上沿碳化物析出的晶界发展，个别部位还呈现树状分枝，有些碳化物边界已出现点状腐蚀坑。图3、图4为裂纹部位金相照片。

1.2 裂纹断口分析

表1 0Gr18Ni9标准化学成份

如图1、图2所示，从断裂锻制补强管裂纹的宏观形貌可以看出，断裂表面基本上与补强管轴线垂直，断口较为粗糙，断口毗邻部位金属未发现明显塑性变形，断口表面发生锈蚀，呈棕黄色。

微观观察结果表明，裂纹具有典型的沿晶断裂特征。能谱分析结果表明，断口原始表面除基体金属Fe、Cr、Mn、Ni外，尚有少量 S、Cl等元素（见图 5、图 6）。

三个不同部位原始断裂表面能谱分析结果见表2。需要指出的是，能谱成分分析是一种微区分析，其基体成分与微观成分有较大区别，这与微区范围内成份偏析或析出有关。

表2 锻制补强管断口表面能谱分析结果 （w t%）

1.3 裂纹性质及成因分析

1.3.1 材质因素

该锻制不锈钢补强管化学成分完全不符合现行国家标准，碳、锰含量严重超标，铬、镍含量明显不足。即使不在450～850℃的不锈钢敏化区内，碳化物也会从晶界析出，造成晶界附近铬含量不足，能量线谱分析个别微观部位铬含量只有5%左右，晶界附近金属处于活性状态。

同时，锰含量严重超标，促使晶粒粗大，材料在-50～-60℃附近由韧性材料转化为脆性材料。

1.3.2 环境因素

设备安装在5、6月份进行，正处于雨季，虽然进行了必要的防护措施，但不可能完全保证雨水不进入塔内；试压时，压力试验也是用水作为试验介质。此外，该管口为液位计测量的下口，存在低点袋状，不利于完全排尽残留水分。残留水分较长时间的自然蒸发，使该部位氯离子局部浓缩、聚集，从而提高了氯离子浓度。

1.3.3 成因分析

锻制不锈钢补强管断裂部位处于结构突变部位，装配应力、焊接残余应力、管路降温收缩应力均会形成拉应力。同时，该部位存在较高浓度的氯离子。氯离子是奥氏体钢应力腐蚀的敏感介质，而该材料本身又处于活性状态。因此，分析认为该处裂纹首先是由氯离子应力腐蚀产生，而材料脆化加速了裂纹的扩展，最终导致开裂。裂纹形态及断口分析都进一步证明了上述结论。

2 修复

锻制补强管与工艺弯头基本上完全断开，其锻制补强管材质完全不符合GB1220标准的要求，根据《压力容器安全监察规程》，该材料必须更换。但由于检修期极为紧张，没有时间将塔内物料进行置换，因此，塔内不具备动火条件。经过反复论证，采用外部包补的方法修复该设备（见图7）。

首先将原补强管用管刀切除50mm，重新加工合格材质的锻件，将其套入原补强管外部，与塔下封头连接采用角接接头形式，与弯头连接采用对接焊接接头形式。焊接采用手工氩弧焊焊接，焊丝采用H 0Cr21Ni10，层间温度在100～120℃左右，焊接完成后，角焊缝用PT检查，对接焊缝用RT检查。

修复后，经PT、RT检查，检查结果合格，装置开车后，未发生任何问题。到目前为止，该塔已安全运行超过5000h，证明修复工作是行之有效的。

3 结论与注意事项

（1）锻制补强管断裂是由于材质不合格引起的，材质出现了脆性转变，必须更换。

（2）裂纹产生是由氯离子引起的应力腐蚀裂纹，材料脆化进一步加速了裂纹发展，因而在极短的时间内发生断裂。

（3）修复采用了外部包补方法，建议下次全检时，按设计图样，予以更换，若无条件更换，该部位应重点进行检查。

（4）奥氏体不锈钢对氯离子引起的晶间腐蚀或应力腐蚀特别敏感，建议检修期及下次水压试验时，要特别防护，严禁氯离子长时间留于容器内。

TE682

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1672-9323（2013）01-0093-03

2012-10-16）