不銹鋼反應(yīng)釜應(yīng)力腐蝕開裂的原因分析及解決辦法

化工設(shè)備腐蝕失效中，應(yīng)力腐蝕開裂是危害較大的腐蝕形式之一，它在整個腐蝕失效中所占比例高達(dá)40％以上，尤其對于不銹鋼制化工設(shè)備，這個比例高達(dá)55％。關(guān)于引起應(yīng)力腐蝕開裂的原因主要有：材料、應(yīng)力和環(huán)境三方面，且三者缺一不可。

某裝置不銹鋼反應(yīng)釜于2010年1月投產(chǎn)，其主要由筒體、上下橢圓形封頭、蛇管加熱器、攪拌裝置、填料塔、冷凝器等部件組成。筒體尺寸為ø2200×7890×12mm，材質(zhì)為0Cr18Ni9。正常生產(chǎn)時的工作介質(zhì)為對硝、四硝、苯胺、一氧化碳、二氧化碳、碳酸鉀、甲酰苯胺、氯化鉀等；回收物料時工作介質(zhì)為甲酸鈉、鹽酸、氯化鈉、苯胺、甲酰苯胺等。反應(yīng)釜的主要技術(shù)參數(shù)，見表1。
 

該反應(yīng)為間歇反應(yīng)，主要工藝為不銹鋼反應(yīng)釜接上工序來料，將反應(yīng)釜表壓控制在-0.023～-0.04MPa左右，打開盤管加熱器將料溫逐漸上升到190℃左右進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)維持時間約8小時，取樣分析合格后,用0.2MPa左右壓縮空氣出料至下一工序。

該不銹鋼反應(yīng)釜在2011年5月檢查過程中，發(fā)現(xiàn)沿筒體與上封頭環(huán)焊縫區(qū)域有化工物料析出。用等離子切割上封頭后，經(jīng)X射線探傷，發(fā)現(xiàn)上封頭環(huán)焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)大量不規(guī)則裂紋，其他焊縫區(qū)域未發(fā)現(xiàn)裂紋。裂紋較大深度為4.8mm，且裂紋離焊縫距離越遠(yuǎn)數(shù)量逐漸減少；大多數(shù)裂紋方向與環(huán)焊縫垂直，多平行發(fā)展，少數(shù)裂紋與焊縫平行或形成夾角；探傷顯示，在縱向上基本沒有有裂紋。裂紋多從內(nèi)壁焊縫表面及熔合線開始形成，在縱向上向熱影響區(qū)延伸、發(fā)展，在深度上由內(nèi)向外擴(kuò)展。在顯微鏡下觀察裂紋形貌，裂紋多屬于沿晶型裂紋，也有部分穿晶型開裂或混合型，并沿壁厚方向呈樹枝狀發(fā)散，觀察到微觀組織部分黑色腐蝕產(chǎn)物形成，具有應(yīng)力腐蝕裂紋的特征，見圖1。沿垂直封頭環(huán)焊縫的方向?qū)⒃嚰书_，發(fā)現(xiàn)靠近內(nèi)表面的焊縫及封頭側(cè)熱影響區(qū)有一定程度的敏化組織，見圖2。為準(zhǔn)確判斷裂紋成因，我們對該反應(yīng)釜材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析，見表2。分析結(jié)果表明：封頭母材化學(xué)成分符合0Cr18Ni9鋼板標(biāo)準(zhǔn)的要求。結(jié)合使用工況，故判斷其裂紋成因是應(yīng)力腐蝕所致。

1不銹鋼反應(yīng)釜應(yīng)力腐蝕開裂的原因分析

1.1Cl-影響

Cl-是引起18-8不銹鋼應(yīng)力腐蝕的主要介質(zhì)因素。研究表明，在溶氧條件下Cl-濃度和溫度的高低決定了應(yīng)力腐蝕是否能發(fā)生及腐蝕速率[6]。Cl-濃度越低，應(yīng)力腐蝕越不容易發(fā)生。但當(dāng)溫度較高時，微量的Cl-也可能引起引力腐蝕開裂[7]。不銹鋼反應(yīng)釜的物料經(jīng)取樣化學(xué)分析，Cl-平均濃度高達(dá)100ppm，工作溫度接近200℃。同時滿足18-8不銹鋼在含有Cl-溶液中應(yīng)力腐蝕開裂的溫度和濃度條件。特別是其Cl-濃度和溫度達(dá)到較高區(qū)間范圍，該釜在使用僅一年半的時間后，就發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。

1.2焊接敏化的影響

根據(jù)材料化學(xué)成分分析報告(表2)對照標(biāo)準(zhǔn)可以判定設(shè)備選用的材料是合格的，但焊接過程中熱影響區(qū)的溫度處于敏化區(qū)(450～850℃)。當(dāng)奧氏體不銹鋼焊接時，電弧熔池的溫度高達(dá)1300℃，焊縫兩側(cè)溫度隨距離的增加而下降，其中存在敏化溫度區(qū)。焊接操作不熟練、焊接時間愈長則停留在敏化溫度區(qū)的機(jī)會愈多，使焊縫兩側(cè)的母材產(chǎn)生腐蝕的敏感性并易形成晶界腐蝕。晶界發(fā)生腐蝕很容易誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕開裂。從上文裂紋在熱影響區(qū)形成及其沿晶型特征和腐蝕產(chǎn)物的存在也說明了這一點。
 

1.3應(yīng)力的影響

應(yīng)力愈大越容易引起應(yīng)力腐蝕破裂，減小外加應(yīng)力將降低引力腐蝕發(fā)生的可能性。當(dāng)?shù)陀陂T檻應(yīng)力值時，甚至不會發(fā)生引力腐蝕。通過應(yīng)力分析，我們知道引起應(yīng)力腐蝕破裂的應(yīng)力因素主要是殘余應(yīng)力。裝配及焊接過程都存在殘余內(nèi)應(yīng)力；殘余應(yīng)力越大，不銹鋼越容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。焊接殘余應(yīng)力與裝配應(yīng)力在疊加的情況下引起應(yīng)力腐蝕開裂的幾率將明顯增加。而反應(yīng)釜的上封頭環(huán)焊縫熱影響區(qū)屬于殘余應(yīng)力較大的部位。

另外，該不銹鋼反應(yīng)釜是間歇操作，在運行過程中壓力、溫度變化頻繁；在反復(fù)加壓和泄壓、升溫和降溫過程中，因交變載荷的長期作用而可能產(chǎn)生疲勞裂紋；這也將加劇應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生。

2不銹鋼反應(yīng)釜應(yīng)力腐蝕開裂的預(yù)防

通過以上對不銹鋼反應(yīng)釜應(yīng)力腐蝕原因的分析，通?？梢圆扇∫韵骂A(yù)防措施：

2.1合理設(shè)計及選材

(1)在Cl-介質(zhì)條件下，盡量避免選用18-8不銹鋼材料。可采用抗SCC材料，如雙相不銹鋼。由于材料隨含Ni量增加，KISCC也增加，也就是說Ni能降低鋼在氯化物介質(zhì)中的SCC敏感性。

(2)優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免應(yīng)力集中及有害離子積聚的結(jié)構(gòu)。盡可能避免死角，避免低凹地區(qū)和溶液未充滿的空間，防止腐蝕液滯留、水分蒸發(fā)、蒸汽的冷凝、腐蝕產(chǎn)物與污垢的積聚、有害離子的濃縮，結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮易于清洗，方便排污，焊縫應(yīng)盡量遠(yuǎn)離應(yīng)力集中處，避免采用剛性過大的結(jié)構(gòu)。[3]。

2.2減小殘余應(yīng)力

2.2.1選擇合理的焊縫尺寸

焊縫尺寸增加，變形隨之增大，但是過小的焊縫尺寸將降低結(jié)構(gòu)的承載能力，并使焊接接頭的冷卻速度加快，熱影響區(qū)硬度增高，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，因此應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)承載能力和保證焊接質(zhì)量的前提下，隨著板的厚度來選取工藝上可能選用的較小的焊縫尺寸。

2.2.2選擇合理的裝配焊接順序

工件在裝配焊接過程中剛度逐漸增加，盡量使焊縫能在剛度較小的情況下焊接。在安排組裝焊接順序時，應(yīng)盡量先焊收縮量大的焊縫，后焊收縮量小的焊縫；根據(jù)受力情況，先焊工作時應(yīng)力大的焊縫，再焊工作時應(yīng)力小的焊縫；較大限度減小殘余應(yīng)力的影響。

2.2.3選擇合理的焊接工藝

焊接時，應(yīng)按焊件的具體情況采用合理的焊條、焊接電流、焊接速度，從而減少焊接殘余應(yīng)力。必要時可采用對工件進(jìn)行預(yù)熱，減少焊接區(qū)域整體焊件的溫差。溫差越小，越能使焊縫區(qū)與結(jié)構(gòu)整體均勻冷卻，從而減少內(nèi)應(yīng)力。

基于以上分析，我們采取了相應(yīng)措施對不銹鋼反應(yīng)釜進(jìn)行修理改造。在此次修理過程中，將不銹鋼反應(yīng)釜筒體和上封頭下口裂紋區(qū)域各切除200mm。在對斷口進(jìn)行打磨后，經(jīng)X射線探傷，確保筒體和上封頭無裂紋等缺陷。重新加工一段400mm的筒節(jié)，打V型坡口組對焊接。按照裝配順序進(jìn)行組裝，制定焊接工藝，對焊接電流、層間溫度等進(jìn)行控制，局部進(jìn)行熱處理。較大限度減少裝配應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。施焊完成后對焊縫進(jìn)行X射線100%探傷，無任何裂紋等缺陷，檢測合格。修理完畢后，清除污垢去油后作酸化鈍化處理，所形成的鈍化膜采用藍(lán)點法檢查，且無藍(lán)點，鈍化處理合格。投入使用后，在工藝上嚴(yán)格控制鹽酸和氯化鈉的配比，將物料中Cl-濃度降低到較大限度，同時避免可能含有Cl-的物料進(jìn)入不銹鋼反應(yīng)釜。出料時通過提高真空，以降低蒸汽等級和減少蒸汽用量來降低釜內(nèi)溫度。同時，優(yōu)化操作流程，避免操作壓力、溫度波動過大、過頻，以免誘導(dǎo)應(yīng)力腐蝕發(fā)生的疲勞裂紋出現(xiàn)。此不銹鋼反應(yīng)釜2011年5月修理后即投入使用，在2012年10月裝置停工檢修期間，進(jìn)入釜內(nèi)進(jìn)行全面檢查。經(jīng)X射線100%探傷，加工改造的400mm筒節(jié)上下焊縫及其他焊縫區(qū)域無任何裂紋等缺陷，未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。

3結(jié)束語

不銹鋼反應(yīng)釜上封頭環(huán)焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋，是由Cl-引起的18-8不銹鋼應(yīng)力腐蝕所致。根據(jù)實際情況，從設(shè)備修理改造和工藝及操作上采取了相應(yīng)的措施，降低殘余應(yīng)力和Cl-影響，以避免應(yīng)力腐蝕或延長其發(fā)生的時間。但隨著使用時間的延長，Cl-引起的18-8不銹鋼應(yīng)力腐蝕的可能性將會增加。因此，建議在裝置大修時，將不銹鋼反應(yīng)釜材質(zhì)改為雙相鋼。