双相不锈钢复合板压力容器锻件接管开裂失效分析.pdf

年第 卷 第 期石油化工腐蚀与防护 失 效 分 析引用格式：宋晓俊，马慧平，尹红卫 双相不锈钢复合板压力容器锻件接管开裂失效分析 石油化工腐蚀与防护，（）：，（）：双相不锈钢复合板压力容器锻件接管开裂失效分析宋晓俊，马慧平，尹红卫（中国石油塔里木油田公司，新疆 库尔勒 ；巴州卫生学校，新疆 库尔勒 ）摘要：中国西部某气田天然气装置复合板压力容器的 锻件接管发生开裂。通过化学成分分析、金相检验、断口分析以及晶间腐蚀试验等手段，对锻件接管开裂的原因进行了分析，结果表明：锻件接管的组织中存在金属间相和夹杂物，而且金属间相和夹杂物存在微裂纹，导致接管韧性和耐腐蚀性能下降，在腐蚀性介质环境中发生了腐蚀开裂。关键词：复合板压力容器；双相不锈钢；接管；开裂收稿日期：；修回日期：。作者简介：宋晓俊（），高级工程师，大学本科，主要从事油气田特种设备管理工作。：复合板压力容器因为既具备了不锈钢内覆层较好的耐腐蚀性能，又具有基层碳钢的高强度和低成本的优点 ，广泛地应用在炼油、化工等领域。中国西部某气田天然气处理站建于 年，处理规模为 ，采用 阀节流制冷脱水脱烃工艺，主要设备包括汇气管、气液分离器、预冷器和低温分离器等，使处理后的天然气满足产品天然气外输要求 。由于该气田属于高含水、高含氯离子的酸性介质气田，处理站进站汇气管在选材时选用了 复合板的材质，底部排污接管选用了 双相不锈钢锻件材质 。年 月，在对汇气管进行检修时发现汇气管排污接管端面存在 处腐蚀坑，现场对腐蚀坑进行打磨、渗透检测，发现腐蚀坑内存在裂纹缺陷，裂纹呈网状，深度 ，超过汇气管筒体壁厚的一半。现场利用碳弧气刨切割技术将失效的排污接管从汇气管上切除。为了查明接管开裂的真实原因，对切除的接管开展了化学成分分析、金相检验、断口分析以及晶间腐蚀试验等理化检验和分析 。汇气管基本参数和介质汇气管的主要作用是汇集了站外来气并分配至下游脱水脱烃处理装置，汇气管于 年制造，同年 月投用。汇气管结构见图 。基本参数见表 。汇气管筒体厚度（），直径为 ，长度为 ，设计压力为 ，容器材质为 。图 汇气管结构示意表 汇气管基本参数项目参数排污接管规格 操作压力 接触介质湿天然气（气田水）设计温度 排污接管材质锻钢 热处理状态回火（）汇气管内介质为天然气（气田水），分析可知，天然气中含有浓度为 的 ，的 ，的 ，的 ，值为 。理化检验 宏观检查失效接管包含法兰和接管两部分，见图 。对外壁进行清洗后发现：法兰外观完好、未见破坏，与法兰连接的接管下部外壁平整、无损伤；但其上部外表面凹凸不平，有大量冷却后的铁水残留，属于典型的电弧切割特征；接管端面有两处气刨槽，槽底均可见到贯穿壁厚的横向裂纹，无其他失 效 分 析石油化工腐蚀与防护 年第 卷显著缺陷。图 送检接管外壁清理后形貌 无损检测按照相关标准分别对送检样品进行射线检测和渗透检测，射线检测未发现裂纹性缺陷；渗透检测，在接管内外壁均未发现缺陷，仅在气刨切割处底部发现裂纹。将裂纹处沿厚度的 处剖开，对其做渗透检测，在其端面、剖面均发现裂纹，裂纹深约 。取样部位说明为进一步分析接管失效原因，对送检样品进行取样加工，取样部位见图。在接管上分别取晶间腐蚀试样、力学分析试样、化学分析试样和低倍组织分析试样；在裂纹处取断口分析试样。取个金相试样，其中 号金相试样以管横截面为检验面，号金相试样以管纵截面为检验面，号金相试样以管横截面为检验面，号、号金相试样以厚度分层截面为检验面。图 取样部位示意 化学成分分析对送检样品进行化学成分分析，结果见表 。接管化学元素符合 中 成分的要求。表 化学成分分析结果，项目 向火侧 标准值 低倍组织分析对接管进行低倍组织检验，分别在横截面、纵截面取样，采用王水溶液腐蚀，未发现缺陷。金相组织分析 非金属夹杂物对 号金相试样进行检验，试样经机械抛光，接管的非金属夹杂物级别大于 级。显微组织依据 金属显微组织检验方法 的规定，试样具体显微组织见表 。对应的金相组织见图 至图 。接管金相组织为奥氏体 铁素体，铁素体质量分数要求为 ，部分两相晶界呈锯齿状，铁素体晶内存在析出相及晶界，部分尺寸较大析出相呈黄色，与奥氏体相颜色相同，部分尺寸较小析出相呈褐色。号金相试样有裂纹，裂纹长约 ，主裂纹旁存在较多分支，沿铁素体内晶界、析出相，夹杂边界、孔洞等扩展。号、号试样经抛光后在高倍显微镜下观察，试样内部夹杂物相形态多样，有圆形、长条形，块状等；同一夹杂物内有黑色、灰色及多块小颗粒夹杂物；部分夹杂物存在尖角，并有裂纹延伸、扩展；主裂纹尖端存在孔洞、夹杂物相等，其形貌与大块夹杂物类似，呈灰色、黑色，内部聚集有较多小碎块。表 显微组织检验结果金相样品编号显微组织（铁素体），图号奥氏体 铁素体，部分晶界呈锯齿状，铁素体晶内存在析出相及晶界 图 奥氏体 铁素体，部分晶界呈锯齿状，铁素体晶内存在析出相及晶界 图 奥氏体 铁素体，部分晶界呈锯齿状，铁素体晶内存在析出相及晶界 图 奥氏体 铁素体，部分晶界呈锯齿状，铁素体晶内存在析出相及晶界，裂纹沿铁素体内晶界、析出相，夹杂物、孔洞等扩展 图 截面存在较多颗粒状夹杂物，且相形态多样，有圆形、长条形及块状等；同一夹杂物内有黑色、灰色及多块小颗粒图 第 期宋晓俊等 双相不锈钢复合板压力容器锻件接管开裂失效分析失 效 分 析图 号金相试样图 号金相试样图 号金相试样图 号金相试样裂纹形貌图 号金相试样形貌（抛光态）金相组织微观形貌 王水溶液腐蚀后形貌为清晰显示试样晶界及析出相颗粒，首先，采用王水溶液对 号金相试样进行腐蚀；其次，在光学显微镜下观察，结果见图 。材料组织中存在块状黄色、黑色相，铁素体晶界或铁素体 奥氏体晶界存在颗粒状析出相，析出相较小。图 王水腐蚀后析出相及晶界 扫描电镜下微观形貌采用扫描电镜对金相试样进行观察，相边界为波浪状，局部晶界存在颗粒状析出相，被着色的铁素体相内出现了较多晶界腐蚀沟槽（见图 ）。图 金相试样微观形貌 硬度试验金相试样硬度测试结果见表 。接管硬度值符合 中 的要求。力学性能测定对送检试样力学性能进行测试，结果见表 。接管拉伸力学性能符合 中 的要求，冲击韧性较低，平均值为 。表 硬度检测结果试样编号 ，标准值 （）表 力学性能测试数据试样编号拉伸试验 ，冲击试验（），标准值 平均值 ，最小值 失 效 分 析石油化工腐蚀与防护 年第 卷 断口形貌分析拉伸试样形貌见图 。断面粗糙并呈灰色，分为两个明显的区域，芯部较为粗糙，区域为纤维区和辐射区，边缘平整、金属颗粒较小区域为剪切唇区；采用扫描电镜对断口形貌进行观察，芯部以韧窝特征为主，韧窝较深、微孔边缘存在链波状花样；边缘剪切唇区同样以韧窝特征为主，链波状花样数量减少，且出现了聚集性小韧窝。图 拉伸断口形貌冲击试样形貌见图 。断面平整，存在结晶状小刻面及放射状花样，结晶状小刻面一部分发亮、另一部分发暗，这与材料的金相组织有关。发亮的为奥氏体相，发暗的为铁素体相；断面上存在起源于晶界的河流状花样、鱼骨状花样及舌状花样等，微观形貌以解理开裂特征为主；断面局部区域存在韧窝带等韧性开裂特征，为奥氏体晶界部位开裂产生。现场原始裂纹面形貌见图 。裂纹面呈褐色，这与试验处理过程中经历的高温或裂纹扩展过程中受到介质腐蚀作用有关，裂纹面粗糙、存在金属小刻面；从微观观察，断面存在解理台阶和舌状花样，局部解理面存在未脱落夹杂物或析出相，裂纹面以解理开裂特征为主，局部存在晶间开裂特征。垢物成分分析对裂纹表面成分进行能谱分析，结果见表 。样品含有较多的 ，和 元素；以及少量的 ，和 元素。其中，和 有可能是在制造过程中引入的，质量分数最高达到 。图 冲击断口形貌图 裂纹处断口形貌第 期宋晓俊等 双相不锈钢复合板压力容器锻件接管开裂失效分析失 效 分 析表 垢物成分分析结果元素，晶间腐蚀试验对失效接管母材试样进行晶间敏化试验，未发现晶间腐蚀裂纹。失效原因综合分析 失效接管理化检验中发现的问题失效接管化学成分、拉伸性能和硬度均符合标准要求，但非金属夹杂物数量较多，尺寸较大；同一夹杂物内有黑色、灰色的多块小颗粒；部分夹杂物存在尖角，并有裂纹延伸、扩展，所有这些势必会降低材料的耐蚀性和冲击韧性。从金相检验结果看，失效接管组织中铁素体相质量分数较奥氏体高，约 。试样经电解或王水溶液腐蚀后在光学显微镜和扫描电镜下观察发现：铁素体晶界或铁素体 奥氏体晶界析出了颗粒状碳化物，碳化物尺寸较小。经高倍形貌观察发现：奥氏体晶界不够光滑，呈锯齿形，疑似有害相组织；局部奥氏体相，沿晶界出现了颗粒状析出物，为有害的金属间相，但是数量较少，对材料力学性能和晶间腐蚀性能影响不大。正常工艺条件下，锻件组织应为奥氏体 铁素体两相组织，铁素体相晶内无晶界或析出相，该组织不正常，失效件冲击韧性也较低，平均约 。铁素体内晶界及析出相的类型分析依据失效件制造工艺，该失效接管共经历了至少 次热过程，分别为锻造、固溶处理和现场热处理 。双相不锈钢标准推荐固溶热处理工艺为 加热后快冷，锻造始锻温度为 ，终锻温度大于 ，现场热处理工艺温度和时间分别为 和 。双相钢在 温度段内均有产生析出相的可能，结合失效件热过程和析出相特征，需要对析出相的来源和成分进行进一步确认。二次奥氏体部分较大尺寸的晶粒呈亮黄色，与组织中奥氏体相颜色相同，怀疑析出相为二次奥氏体。对于 双相钢，当材料在 以上加热时，铁素体晶粒急剧长大、奥氏体数量迅速减少，加热至 时，材料组织转变为单一粗大的铁素体相。在随后的水冷过程中，铁素体晶界就会出现由铁素体转变而生成的二次奥氏体，与组织中的铁素体晶间处形成的奥氏体一致 。析出相类型失效件经历的热过程温度范围较宽，在冷却过程中如果冷却速度不够，将会产生各种类型的析出相，如，和 等类型。析出相对材料性能的影响资料显示，双相不锈钢中的金属间相和 相等对材料冲击韧性影响较大，以 超级双相不锈钢为例，当金属间相质量分数达到 时，其冲击韧性降低至约 ；当金属间相质量分数达到 时，其冲击韧性下降至 ；相对 双相钢的冲击韧性也有类似的影响。从失效接管力学性能检验结果看，材料冲击韧性较低，平均值为 ，从而可断定接管较低的冲击韧性与铁素体晶内、晶界析出相关系密切。从裂纹扩展形貌看，裂纹沿铁素体内晶界、析出相和夹杂物边缘扩展，说明此处强度较两相晶界和晶内强度低或者夹杂物边缘部位已经存在微裂纹扩展。析出相的存在对材料耐点蚀性能也会产生不利影响，以 钢为例，钢中金属间相质量分数在 时，其临界点蚀温度为 ；当析出相质量分数超过 时，其临界点蚀温度下降至。钢中的氮化物对材料性能有类似的作用，随着氮化物含量的升高，材料的冲击韧性和耐点蚀性能均会降低 。接管开裂机理分析失效接管为 级锻件，从现场检验结果分析可知：裂纹位于接管母材，若材料组织中存在有害金属间相组织或较多的夹杂物时，或者在有害金属间相组织或夹杂物存在原始微裂纹时，在运行过程中，裂纹会发生解理开裂和晶间开裂，与实际的检验结果一致。失效接管位于汇气管底部且长期浸泡在呈弱酸性的气田水中，由于气田水中含有 和 等腐蚀介质，使失效接管发生了腐蚀，进一步促进了裂纹的扩展以及有害相或夹杂物部位的腐蚀。失 效 分 析石油化工腐蚀与防护 年第 卷从主裂纹尖端形貌看，裂纹沿类似夹杂物的块状组织扩展，主裂纹边缘存在的微裂纹沿铁素体内晶界、块状组织和孔洞等扩展，符合阳极溶解特征 。结论及建议（）排污接管使用的 纯不锈钢锻件两相组织中存在析出的金属间相和夹杂物，且金属间相和夹杂物部位还存在微裂纹，从而降低了接管韧性以及耐蚀性能；在有腐蚀性介质的环境中运行从而引起腐蚀开裂和开裂扩展，最终引起接管开裂。（）考虑到双相不锈钢热处理的特性，建议 复合板压力容器在制造时谨慎选择双相不锈钢锻件材料用作接管。参考文献 杨国义，孔胜先，陈志伟，等 压力容器用爆炸焊接复合板境内技术发展现状及标准状态 压力容器，（）：，（）：张婷婷，刘向东 某气田天然气处理指标研究 化工管理，（）：，（）：代平，潘旭，宋晓俊，等 高含氯离子、高含汞气田压力容器选材分析及建议 压力容器，（）：，（）：田晓军，王鹏，张罡，等 不锈钢复合板焊接接头晶间腐蚀失效分析 压力容器，（）：，（）：邹华，陈寿军，周景蓉，等 爆炸复合钢板设备制造中的焊接缺陷及质量控制 压力容器，（）：，（）：王一德，李国平，王立新，等（）不锈钢复合板热处理工艺研究 压力容器，（）：，（），（）：董宝才，范江峰，刘润生，等 双相不锈钢复合板爆炸轧制工艺研制 压力容器，（）：，（）：黄嘉琥 压力容器用双相不锈钢（三）压力容器，（）：（），（）：赵志毅，徐林，李国平，等 超级双相不锈钢 相析出及对组织性能的影响 材料热处理学报，（）：，（）：杨晔晖，关凯书 双相不锈钢焊接接头裂纹失效机理分析 压力容器，（）：，（）：（编辑张向阳），（，；，）：，：；