厚壁型304L不锈钢管道应力腐蚀开裂及对策

对甲醇一氧化碳变换管道焊缝裂纹停止宏观和微观剖析，对裂纹内腐蚀产物停止X射线剖析，以为SUS304L厚壁型不锈钢管道在焊接过程中焊缝区域极易产生微裂纹、敏化等缺陷，这是厚壁型不锈钢管道发作应力腐蚀开裂的重要内因；高温下含高水分、适量氧气、微量氯离子的水煤气介质是不锈钢管道产生应力腐蚀开裂的重要外因；而由于温差变动形成的热应力是管件疲倦开裂的另一个重要外因。采用铬钼低合金钢管道保送高温水煤气是适合有效的，但其耐平均腐蚀性较差，消费过程中宜增强监测，以确保平安。

浙江索普（集团）有限公司为配套600kt/a醋酸消费安装，于2009年10月投资建成了煤制CO的造气工艺并联产550kt/a的甲醇项目，完成了消费才能和工艺技术的新逾越。但新安装开车过程中遇到了很多问题，直到第二年8月安装才稳定下来。据统计，在近一年的开车调试中安装开停车近20次，除供电、供气问题之外，另一个主要问题是CO变换工段在开车过程中管道弯头、三通等处频繁呈现走漏，特别是一段从换热器E15101到变换炉R15101的一根近40m长的不锈钢管道（PG-15108）频繁走漏。1PG-15108管线的概略PG-15108管线为609.6mm×24mm的SUS304L有缝钢管，弯头亦为有缝弯头，材质成分剖析结果见表1。

比照国标，除Cr含量略少外其它全都在正常范围。另外，供货请求管道成型后都必需固溶处置。经测试外表硬度（HB）不超越187。该管线是用来保送变换前的工艺气体，工艺气体在E15101换热器中经过变换过的高温气体加热，然后经过PG-15108保送到R15101变换炉停止催化变换。频繁的走漏主要发作在该管线上的几个弯头、三通及管道焊缝上。PG-15108管道内工艺气体温度、压力及成分见表2。由于消费安装操作等方面的不稳定招致管道内工艺气体的温度起初有较大的动摇，最高温度短暂可到达400℃，以至500℃。由于走漏等各方面缘由，安装开开停停，从开车不到半年时间里陆续改换了走漏的弯头、三通。从改换下的管件宏观上看是由于304L不锈钢管焊缝区域呈现问题（见图1），沿管道环向焊缝切割处的焊缝熔合区，可见焊缝内呈现大量的脆性裂纹。裂纹粗大，以至发现一只弯头内外表呈现长度约60cm穿透性单枝裂纹（见图2）。

2裂纹的宏观微观剖析

经过对PG-15108管线拆换下的管件走漏点停止察看，宏观上可将裂纹分为两类。第一类是沿管件纵向焊缝的热影响区、紧靠熔合线开裂的裂纹；第二类是垂直于焊缝的大量平行开裂裂纹（轴向散布裂纹）。为此，选取上述二类裂纹相关的试样数块停止金相磨片，微观图像分明展示了三类裂纹：第一类裂纹是沿轴向焊缝热影响区开裂的呈多层面、散状开展的裂纹（见图3）。裂纹为典型的沿晶开裂，局部晶粒似乎行将零落，是资料敏化而沿晶开展的裂纹。第二类裂纹是环向焊缝上开裂的轴向散布的呈单枝状开展的裂纹。裂纹区域的微观金相组织显现，在焊缝热影响区，呈现了沿等轴晶粒边境析出了非连续碳化物，呈局部敏化状态（见图4）。同时在管件内壁发现了既有穿晶腐蚀疲倦启裂裂纹，也有沿晶腐蚀启裂裂纹，证明资料的局部敏化与开裂息息相关，结果在变动载荷及腐蚀的作用下产生大量的平行裂纹，属典型的腐蚀疲倦裂纹。

第三类裂纹是在环向焊缝的根部启裂并环向开裂的裂纹。某焊缝左右两侧的微观截图见图5。将右侧截图进一步放大（见图6），从形貌看，裂纹由内壁焊缝根部启裂，紧贴熔合线向深处开展，在粗大裂纹的两侧（红色箭头方向），呈现大量微细启裂裂纹，其中有些裂纹还是沿晶界启裂的。

3裂纹内腐蚀产物的剖析

经过对裂纹内腐蚀产物X射线剖析发现，腐蚀产物中含有大量的氧和硫元素，并含有少量的氯元素（见图7）。

4开裂缘由剖析

文献材料［1］标明，304L不锈钢管的热收缩系数大约是低碳钢的1.35倍，在焊接过程中易受热使构造收缩，冷却时又产生较大的收缩变形和应力，宏大的应力易形成奥氏体不锈钢有在焊接时呈现较大热裂的敏理性，构成初始的微裂纹，同时304L奥氏体不锈钢的导热系数约为低碳钢的1/3，因而焊接区域的热量不易向远离焊缝的金属传送，焊缝热影响区域在450～850℃停留较长时间，原过饱和固溶在奥氏体晶粒内的碳很快迁移到晶间，在晶粒间呈现碳化铬的析出，并在临近晶界处构成贫铬区（铬的迁移速度慢），即所谓奥氏体不锈钢的敏化。贫铬区Cr质量分数低于11.7%时将难以钝化，耐蚀性较差，在腐蚀介质和应力的结合作用下优先腐蚀，从而发作来源于晶界的应力腐蚀开裂（SCC）。焊接后的资料虽可经过1050～1150℃固溶处置处理焊缝敏化问题，以及经过热处置处理焊缝的焊接剩余应力问题，但这些只能在制造工厂内对一些小型构件停止处置，而在安装的装置现场对管道、管件拼接的焊缝停止固溶处置难度很大。虽可停止一些消弭应力的热处置工作，但是针对SUS304L不锈钢停止热处置，总有某些区域温度刚好落在敏化温度范围，所以现场根本不对焊缝停止消弭应力的热处置工作，何况针对这种壁厚到达24mm厚壁型管材，焊接过程中由于焊道深，必需多层烧焊，焊缝及热影响区阅历屡次的热冲击，这种不稳定型钢种在焊缝及热影响区势必会析出晶间碳化物；同时，在焊缝的结晶后期，奥氏体柱状晶和树枝状晶之间残存着某些低熔点的液态共晶或化合物，在焊缝收缩变形形成的拉应力作用下惹起晶间开裂。由于热处置配备、管理和技术程度的不一，在焊缝应力的作用下产生初起微裂纹就是在生产制造工厂也不一定能完整处理。但是经过工厂固溶热处置的管件焊缝，在外观上裂纹明显少于现场焊接没有经过热处置的焊缝裂纹，也就是说在现场焊接的接头由于不能热处置，更易开裂失效。

现场发现一个重要现象，PG-15108与管道PG-15109相邻，二者材质及生产制造请求相同并由同一个供货商供货，但PG-15109在运用过程中没有呈现开裂走漏现象。PG-15109管道与PG-15108保送的介质成分根本相同，不同之处在于PG-15109是用来保送变换过的工艺气体。由于经过变换炉变换，气体中的水分减少了80%以上，但温度比PG-15108所保送的变换前气体温度高100℃以上。所以，保送介质中水蒸气、足够的氧气、微量Cl－及H2S的存在是PG-15108管道SCC开裂的重要的外部要素。

再次，安装开车及工艺温度控制不稳定，有时短暂超温运转，这种由于变动形成的温差应力是种疲倦应力，对工艺管道弯头、三通等单薄区域影响很大，这些区域存在大量焊缝，而焊缝原本就存在严重的内部缺陷，所以，在腐蚀介质的结合作用下很快开裂失效。

5开裂问题的处理计划

由于SUS304L奥氏体不锈钢焊接时呈现热裂的特性，特别是厚壁管焊接过程中存在的实践问题以及保送介质中无法防止水分、氧气和氯离子，如何选材是首先要思索的问题，而这一问题，兄弟厂家也曾遇到并得到很好的处理。依据纳尔逊曲线，15CrMo钢能够用于350℃以下的临氢环境，当然更有运用10多年的报道［2］，相比SUS304L造价约减少一半。所以，甲醇安装开车10个月后，停车将PG-15108这条不锈钢管线彻底改换成15CrMo低合金钢管道。改换过程中请专业装置单位，并采取了严厉的过程控制，从焊口的预热到焊接过程的维护以及最后消弭应力的热处置等环节严厉把关，并100%停止X射线检测合格。当然，15CrMo属于低合金耐热钢，耐H2S和CO2的高温平均腐蚀性能与SUS304L奥氏体不锈钢无法相比，特别在高速介质气体的冲刷条件下，又恰益处于H2S高温重腐蚀区域，所以，增强对该管线壁厚监测是以后设备管理的一项重要工作。

6完毕语

（1）SUS304L奥氏体不锈钢，特别是厚壁型资料在拼焊过程中，极易产生微裂纹及晶间碳化物析出，由于现场不宜消弭焊接应力，资料焊接后，焊缝区域残存很大的焊接应力，这些都是产生SCC的重要内因；

（2）工艺介质中含有大量的水蒸气、足量的氧气、硫化氢以及微量的Cl－是SUS304L不锈钢在300℃左右产生SCC的重要外因；

（3）消费试车过程中工艺控制的不稳定，猛烈的温度变化产生的疲倦应力是SUS304L不锈钢腐蚀开裂的另一个重要外因；

15CrMo低合金钢适用于300℃左右的临氢环境，对含氧、Cl－的水蒸气的应力腐蚀不敏感。但在含H2S的高温气体冲刷下有较大的平均腐蚀倾向，消费运用中宜增强监控，定期检测。