三催气压机入口过滤器短接开裂失效原因分析

付 亮， 张国福， 刘 丹

(辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

三催气压机入口过滤器短接开裂失效原因分析

付 亮， 张国福， 刘 丹

(辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

三催气压机入口过滤器短接在很短的时间内会产生裂纹。对裂纹部位进行了宏观检验、化学成分分析、显像组织分析、扫描电镜分析、力学性能分析。分析结果得知，裂纹产生的主要原因如下：工件在含有H2S的腐蚀介质中，法兰与接管在加工制造过程中产生焊接残余应力，在腐蚀介质与残余应力的共同作用下导致应力腐蚀，从而产生沿晶脆性开裂。针对断裂原因提出了改进方案。

气压机； 焊缝； 应力腐蚀； 裂纹； 力学性能

三催气压机入口过滤器短接于2008年6月投入使用，2014年7月装置检修时发现存在泄漏现象。经检查发现，三催气压机入口过滤器短接焊缝法兰侧有裂纹产生，裂纹源于法兰一侧内表面焊缝热影响区，穿过热影响区延伸至母材产生开裂。三催气压机入口过滤器短接实际工作温度为36 ℃，工作压力为0.089 MPa，工作介质为富气，材质为20#优质碳素钢。

1 化学成分及机械性能检验

对产生裂纹过滤器短接进行了化学成分分析。法兰和管线化学成分与标准值对比结果见表1。由表1可知，三催气压机入口过滤器短接20#钢热轧管线及20#全锻造法兰化学成分完全符合标准。

表1 法兰和管线化学成分与标准值对比结果 %

从产生裂纹的短接法兰与管线结合部位切取试样，机械加工成非标准光滑圆柱试样和标准冲击试样，测定其室温时的机械性能指标。法兰和管线机械性能与标准值对比结果见表2。从表2可以看出，短接法兰在室温时抗拉强度、屈服强度以及塑性和韧性值均符合标准。

表2 法兰和管线机械性能与标准值对比结果

2 裂纹断口微观形貌

试样断口表面的扫描电镜照片如图1所示。图1中，试样1#为原始状态的试样，试样2#为采用HCl清洗后的试样；上部为管内侧，下部为管外侧。从表面形貌来看，断裂是从管内侧开始的，内侧扩展较为缓慢且扩展面平缓，而在管外侧存在较为粗大的撕裂棱并呈放射状，管外侧断裂所需的时间较短。快速断裂区域占横截面的比例为1/3～1/2。

(a) 试样1#

(b) 试样2#图1 试样断口表面的扫描电镜照片

试样断口表面腐蚀产物的能谱分析如图2所示,由图2得到的试样断口表面腐蚀产物中各元素的质量分数及原子比见表3。由表3可以看出，原始断口表面附着物中S的质量分数达到了20.53%，经HCl清洗后S的质量分数急剧降低到1.02%。结合采用HCl清洗时有刺鼻的H2S气体逸出，可以推测出表面腐蚀产物中含FeS，大部分S以FeS的形式存在，且在腐蚀产物中FeS的质量分数较高。

(a) 试样1#

(b) 试样2#图2 试样断口表面腐蚀产物的能谱分析谱图表3 试样断口表面腐蚀产物中各元素 的质量分数及原子比

元素试样1#质量分数/%原子比试样2#质量分数/%原子比O17.7036.1614.1536.17Si1.311.610.520.76S20.5322.081.021.30Mn1.440.901.511.13Fe57.5435.5482.8060.64其他元素1.480合计100.00100.00

在试样裂纹尖端附近截取一块小试样，对其断口表面也进行了扫描电镜观察。截取试样时未断部位人为打断断口的形貌图如图3所示。从图3可以看出，断口存在大量的韧窝，表明原始材料在冲击载荷的作用下存在大量的塑形变形[1]，说明材料自身的塑性较好。

(a) 放大500倍

(b) 放大2 000倍图3 截取试样时未断部位人为打断断口的形貌图

裂纹尖端附近支裂纹的走向形貌如图4所示。从图4可以看出，在裂纹前沿存在较多的分叉，分叉方向没有规律，分叉处金属较为疏松。

图4 裂纹尖端附近支裂纹的走向形貌

裂纹尖端附近断口的腐蚀产物成分分析谱图如图5所示，由图5得到的裂纹尖端附近断口表面腐蚀产物各元素的质量分数及原子比见表4。由表4可知，S的质量分数为28.52%，而O的质量分数较低，说明在裂纹尖端主要是硫化氢腐蚀[2]。

图5 裂纹尖端附近断口表面腐蚀产物能谱分析谱图表4 裂纹尖端附近断口表面腐蚀产物各元素 的质量分数及原子比

元素质量分数/%原子比O14.6932.33Si0.440.56S28.5231.33Mn1.911.23Fe53.7733.91其他元素0.67合计100.00

3 金相检验

3.1 非金属夹杂物

对切取的试样选一个横截面进行了金相分析，检验结果如图6所示。根据夹杂物的形状和颜色判定，产生裂纹的三催气压机入口过滤器短接的法兰与管线母材中的非金属夹杂物主要为氧化物、硅酸盐及硫化物。

(a) 法兰

(b) 管线图6 产生裂纹的短接法兰与接管母材中非金属 夹杂物的金相分析图(放大500倍)

由图6可知，在管线中，氧化物是呈暗灰色、有规则分布(长方形、三角形)的颗粒，并呈串链状分布，其晶粒度为2.5级；硅酸盐则呈黑色的球状，均匀地分散分布，其晶粒度为1.5级；硫化物则呈灰色，并沿锻造变形方向呈条状分布，其晶粒度为1.0级；三者之和为5.0级，符合夹杂物三者之和不超过5.5级的标准(GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检验法》)。在法兰母材中，氧化物是呈暗灰色、有规则形状(长方形、三角形) 的颗粒，并呈串链状分布，其晶粒度为1.5级；硅酸盐则呈黑色的球状，均匀地分散分布，其晶粒度为2.5级；硫化物则呈灰色并沿锻造变形方向呈条状分布，其晶粒度为1.0级；三者之和为5.0级，符合GB/T 10561—2005 中规定的夹杂物三者之和小于等于5.5级的标准[3]。

3.2 金相组织

3.2.1 晶粒度 产生裂纹短接法兰与管线材质的晶粒度如图7所示。

(a) 管线

(b) 法兰

(c) 法兰局部区域图7 产生裂纹短接法兰与管线材质的晶粒度(放大100倍)

由图7可知，产生裂纹的三催气压机入口过滤器短接的接管母材实际晶粒比较细，晶粒大小不太均匀，其晶粒度为5.0～7.0级；三催气压机入口过滤器短接的法兰实际晶粒比较细，晶粒大小比较均匀，其晶粒度为6.0级，但是在局部区域的实际晶粒比较粗，其晶粒度为3.0级。这是由于法兰在锻造时变形不均匀所造成的。晶粒的不均匀性，会导致管线和法兰机械性能的不均匀性，在晶粒比较细的部位，不仅其强度高，而且塑性和韧性也好；在晶粒粗的区域，不仅其强度低，而且塑性和韧性也差。在室温条件下工作的钢材，其晶粒度应为4.0～8.0级，产生裂纹的三催气压机入口过滤器短接的法兰与管线母材的实际晶粒度，符合在该条件下工作的钢材晶粒度的要求[4]。

3.2.2 显微组织 产生裂纹短接法兰与管线母材显微组织如图8所示。从图8可以看出，产生裂纹的三催气压机入口过滤器短接法兰与管线母材显微组织均是正常铁素体+珠光体显微组织。

(a) 管线

(b) 法兰图8 产生裂纹短接法兰与管线母材显微组织(放大400倍)

3.2.3 碳化物析出与分布形态 从图8中发现，在产生裂纹的碱洗塔出口管线的法兰与管线材质的显微组织中，有粒状、短片状碳化物从铁素体晶内和晶界处析出，在晶界则呈串链状分布。由于三催气压机入口过滤器短接的法兰与管线是在热轧和锻造终止温度下空冷至室温的，冷却速度较快，使显微组织中的铁素体成为一个碳质量分数为0.021 8%的过饱和固溶体，从而使钢在组织上处于亚稳定状态。当长期使用这种钢时，就会使碳原子沿晶界和晶内局部区域发生富集，从而析出粒状和短片状的碳化物，即发生钢的时效现象。在铁素体中溶解的碳的质量分数愈高，时效效果愈明显。碳化物沿铁素体的晶内和晶界析出，不仅使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性下降，同时也为钢产生沿晶的应力腐蚀破裂创造有利条件[5]。

3.2.4 焊缝的显微组织 产生裂纹短接法兰与管线焊缝的显微组织如图9所示。从图9可以看出，产生裂纹的三催气压机入口过滤器短接的焊缝显微组织是粗大的呈树枝状的铁素体+珠光体组织；热影响区过热区显微组织是粗大魏氏体组织，大部分呈针状铁素体分布在晶界上，少量出现在晶粒内部，晶粒度为为3.0级；热影响区正火区显微组织是铁素体+珠光体组织，其晶粒细小、均匀，晶粒度为8.0级。

(a) 焊缝区域

(b) 热影响区过热区

(c) 热影响区正火区图9 产生裂纹短接法兰与管线焊缝 的显微组织(放大100倍)

4 焊缝热影响区产生裂纹原因

通过对产生裂纹的三催气压机入口过滤器短接法兰和管线的材质、裂纹形貌、材质性能等进行全面的实验分析可知，三催气压机入口过滤器短接法兰与接管一侧焊缝热影响区所产生的裂纹，是在拉应力和含有H2S的富气腐蚀介质引起的应力腐蚀裂纹[6-8]。

产生裂纹的三催气压机入口过滤器短接是在焊接成型后，没有对其进行去应力退火，由于法兰颈脖处截面是变截面锥形体，并且存在法兰与管线不等壁焊接情况，所以增大了焊接接头处焊接残余应力；在组装应力等外力载荷的共同作用下，这些应力的总和构成三催气压机入口过滤器短接法兰与接管焊缝热影响区产生应力腐蚀裂纹的拉应力。实验结果表明，三催气压机入口过滤器短接法兰与管线一侧的焊接残余应力很大，对于低碳钢来说，最大拉应力接近于材料的屈服极限，远远超过临界拉应力。因此，三催气压机入口过滤器短接法兰与管线产生应力腐蚀裂纹所需的临界拉应力条件已具备，拉应力越大，产生应力腐蚀开裂的速度越快，再加上含有H2S的富气腐蚀介质，产生应力腐蚀裂纹的条件完全具备[9-11]。

对已经产生裂纹的三催气压机入口过滤器短接的断口表面腐蚀产物分析的结果表明，有大量的S元素存在，说明管道内输送的富气介质中含有H2S气体，而H2S气体是碳素钢产生应力腐蚀较为敏感的腐蚀性气体。因为三催气压机入口过滤器短接内所输送的介质为富气，富气是石油加工过程中的副产品，其主要成分为CH4、C2H6、C3H8等烷烃类，还有少量的CO2、H2S等[12]。因此，H2S的存在足以构成对三催气压机入口过滤器短接产生应力腐蚀开裂的腐蚀介质条件。

5 结 论

三催气压机入口过滤器短接开裂的原因，是在含有H2S的腐蚀介质中，因应力腐蚀而产生的沿晶脆性开裂。产生应力腐蚀的拉应力主要是法兰与接管在加工制造过程中所产生的焊接残余应力。

6 改进方案

为了减轻焊缝在H2S介质环境中发生的应力腐蚀，应该主要从消除拉应力和减缓腐蚀两方面采取措施[13]。

(1)消除拉应力。可以采用以下方法消除拉应力：①改进法兰设计，减小变径高颈法兰的锥度，有利于法兰与管线结构设计的合理性，同时可考虑减小法兰的厚度和尺寸；②短接焊接后，进行射线和渗透无损探伤，探伤合格后，再进行整体热处理去应力退火，退火温度为600 ℃，保温2～3 h。

(2)减缓腐蚀。采用以下措施减缓H2S腐蚀：①尽量减少H2S含量；②减少介质中的水分，降低H2S的腐蚀程度；③提高介质温度， H2S溶解度会急剧降低，也可以减缓H2S腐蚀；④严格按照焊接工艺进行焊接。

[1] 卢志明.典型压力容器用钢在湿硫化氢环境中的应力腐蚀开裂研究[D].杭州：浙江大学，2003.

[2] Mcdougall J.Microbial corrosion of metals[J]. Anti-Corrosion Methods and Materials，2013，13(8)：9-13.

[3] 周世文.渗铝钢在炼油厂典型腐蚀环境中的耐蚀性研究[D].大连：大连理工大学，2003.

[4] Dittrich T，Fiechter S，Thomas A.Surface photovoltage spectroscopy of carbon nitride powder[J].Applied Physics Letters，2011，99(8)：084105-084107.

[5] 程健丰.3.2万吨/a氯丙烯装置换热冷凝器腐蚀调查分析及控制管理研究[D].北京：北京化工大学，2009.

[6] 赵志农.腐蚀失效分析案例[M].北京：化学工业出版社，2009.

[7] 王翔，赵东风.不同级别腐蚀管道剩余强度评估方法对比研究[J].腐蚀科学与防护技术，2013，25(1)：85-88.

[8] Wang X，Stewart M G，Nguyen M.Impact of climate change on corrosion and damage to concrete infrastructure in australia[J].Climatic Change，2012，110(3)：941-957.

[9] 张湘黔.碱性溶液中Na2S2O3对16Mn与Q235钢材的腐蚀行为[D].贵阳：贵州大学，2015.

[10] Choi Y S，Shim J J，Kim J G.Effects of Cr, Cu, Ni and Ca on the corrosion behavior of low carbon steel in synthetic tap water[J].Journal of Alloys & Compounds，2005，391(1-2)：162-169.

[11] Zhou Y，Chen J，Xu Y，et al.Effects of Cr, Ni and Cu on the corrosion behavior of low carbon microalloying steel in a Cl-containing environment[J].Journal of Materials Science & Technology，2013，29(2)：168-174.

[12] 王秀静.金属材料大气环境早期腐蚀行为及锈层演化机制研究[D].北京：机械科学研究总院，2013.

[13] 王岩，宋天民，张国福，等.逆焊接处理对不同材料抗应力腐蚀性能的影响[J].辽宁石油化工大学学报，2007，27(3)：32-34.

(编辑 宋锦玉)

Three Reminders Pressure Inlet Filter Short Cracking Failure Analysis

Fu Liang， Zhang Guofu， Liu Dan

(SchoolofMechanicalEngineering，LiaoningShihuaUniversity，FushunLiaoning113001，China)

Pressure machine inlet filter short piping could produce cracks in a short time. Crack parts of the macroscopic examination, chemical composition analysis, tissue imaging, scanning electron microscopy analysis, and mechanical analysis were studied. The results showed that in the corrosive medium containing H2S, the flange and the nozzle were subjected to welding residual stress during the manufacturing process, and the welding residual stress caused stress corrosion, resulting in cracking along the embrittlement.

Pressure machine； Stress corrosion； Welding； Crack； Mechanical properties

1672-6952(2017)02-0048-06

2016-05-25

2016-08-25

付亮(1983-)，男，硕士研究生，从事压力容器与结构完整性技术方面的研究；E-mail：289494984@qq.com。

张国福(1960-)，男，硕士，教授，从事金属材料性能研究；E-mail：zgf-fs@163.com。

TG156

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.02.011

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn