摘 要:某石化公司不锈钢波纹管膨胀节发生开裂,采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、能 谱分析等方法研究其开裂原因。结果表明:波纹管膨胀节长期处于氯化物水溶液环境中,在波纹管 加工时产生的残余应力以及工作中产生的应力作用下,不锈钢波纹管膨胀节发生氯化物应力腐蚀 开裂。 

关键词:不锈钢;波纹管膨胀节;应力腐蚀开裂 

中图分类号:TG115.2;TB31                   文献标志码:A                    文章编号:1001-4012(2023)06-0019-03 

波纹管膨胀节在石油化工领域中应用广泛,具 有耐压、密封、耐腐蚀、耐冲击、减振、降噪等功能,起 到减轻设备变形和延长设备使用寿命的作用,但在其 服役过程中,波纹管膨胀节除了发生疲劳破坏及非正 常因素破坏外,还经常发生腐蚀破坏,且以应力腐蚀 破坏为主[1],给装置的安全生产带来了极大影响。

某石化公司丁基装置压缩机出口附近发生氯甲 烷气体泄漏,通过泄漏试验,发现位于压缩机出口下 方的波纹管膨胀节发生开裂,波纹管的波峰、波谷部 位局部已穿孔,最终导致介质泄漏。该波纹管补偿 器于2014年投入使用,设计压力为1.6MPa,工作 压力为0.37MPa,设计温度为110℃,工作温度为 107℃,工作介质主要包括氯甲烷 (质量分数为 92.21%)、异丁烯(质量分数为4.61%)和水(质量分 数为2.32%),材料为316L不锈钢。不锈钢波纹管 膨胀节安装位置如图1所示。 

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

该波纹管膨胀节为U型双层结构(见图2)。波 纹管膨胀节开裂处宏观形貌如图3所示,波纹管波 峰和波谷部位均有多处开裂,通过进一步观察,发现 裂纹由内向外扩展,沿环向开裂,开裂裂纹最长处达 到1/2周长,部分裂纹已贯穿,裂纹附近覆盖着黄褐 色 的锈蚀层。剥离波纹管内、外层后,内层呈碎片状,开裂波纹管内部宏观形貌如图4所示。

1.2 化学成分分析

在开裂波纹管膨胀节上截取试样,采用直读光 谱仪对试样的1# ,2# 位置进行化学成分分析,分析 位置如图5所示,分析结果如表1所示,参照标准 GB/T3280—2007《不锈钢冷轧钢板和钢带》,可知 除 Ni、P元素含量偏低外,其他元素含量均满足标 准要求。 

1.3 金相检验 

图6 裂纹贯穿微观形貌 在波纹管膨胀节的断面及截面取样、镶嵌,制备 成金相试样,将其置于光学显微镜下观察,结果如图 6,7所示。由图6~7可知:波纹管膨胀节材料为奥 氏体组织,裂纹由波纹管内部起裂并向外部扩展,部 分裂纹已贯穿壁厚,裂纹呈树枝状穿晶扩展。损伤 呈典型的氯化物应力腐蚀开裂特征。 

1.4 能谱分析 

对未经污染的裂纹部位进行取样,并对断口表 面进行能谱分析,分析位置如图8所示,能谱分析结 果如表2所示,腐蚀产物中除含有碳、铬、铁、镍等元 素外,还含有1.21%(质量分数)的氯元素及高达 38.24%(质量分数)的氧元素。 

2 综合分析 

不锈钢波纹管膨胀节发生氯离子应力腐蚀开裂 的情况较为常见,根据试验结果可知,波纹管的化学 成分基本满足标准要求,其显微组织正常,材料也满 足设备使用要求。综合宏观观察、金相检验、能谱分 析结果及波纹管膨胀节的运行环境可知,该开裂波纹 管膨胀节是由内向外发生开裂的。由开裂波纹管的 金相检验结果可知:典型的树枝状穿晶裂纹证明波纹 管发生的是氯化物应力腐蚀开裂。在温度、拉应力及 氯化物水溶液3个主要因素同时满足的条件下,300 系列不锈钢容易发生氯化物应力腐蚀开裂[2]。 

波纹管膨胀节材料为316L不锈钢,运行环境 中含有氯甲烷和水,工作温度为107℃,波纹管膨胀 节位于压缩机下方,长期承受机械振动的作用,同时 波纹管制造工艺多为机械成型或者液压成型,存在 较大的残余应力,使波纹管膨胀节在工作时的应力 状态十分复杂[3]。因此,波纹管膨胀节满足发生氯 化物应力腐蚀开裂的基本条件,在多种因素的共同 作用下,其发生由内至外扩展的氯化物应力腐蚀开 裂。通常情况下,开裂分3个阶段:首先是萌生阶 段,在金属表面形成点蚀坑,部分点蚀坑在腐蚀和应 力共同作用下扩展形成初始微裂纹;接着是扩展阶 段,局部的初始微裂纹进一步扩展形成宏观裂缝;最 后是断裂阶段,拉应力进一步集中,裂纹发生快速扩 展,最终材料由于强度不足而发生断裂。

该断裂波纹管的工作温度为107℃,发生氯化 物应力腐蚀开裂的温度通常高于38℃,且随温度的 升高,其开裂敏感性上升。该断裂波纹管的工作介质包括氯甲烷(质量分数为92.21%),氯离子在波 峰、波谷等部位易浓缩聚集,且波峰、波谷位置形变 产生的应力较高,金相检验结果显示材料有部分马 氏体组织,同时还有孪晶组织,说明波纹管膨胀节在 生产加工过程中发生了加工硬化,存在较多的残余 应力,故其开裂敏感性较高。介质中溶解的氧元素 会加速氯化物应力腐蚀开裂,通过腐蚀产物的分析 结果可知,波纹管所处环境介质中的氧元素含量较 高。镍元素是奥氏体不锈钢中的主要合金元素,其 作用是强化并稳定奥氏体,镍元素的质量分数在 8%~12%时,奥氏体不锈钢发生氯化物应力腐蚀开 裂的敏感性较高,该开裂波纹管中的镍元素质量分 数约为9.64%,开裂敏感性较高。 

3 结语和建议 

(1)波纹管膨胀节的制作材料以奥氏体不锈钢 为主,要有效地提高该种金属材料的抗氯化物应力 腐蚀开裂能力,主要方法有:将材料中的镍元素质量 分数提高至35%以上,增加硅元素的添加量,少量 添加合金元素,如钛、铝元素等,以及与氮元素或者 碳元素反应活跃的合金元素,可以提高奥氏体不锈 钢的耐腐蚀性和抗破裂的能力。 

(2)在波纹管膨胀节加工制造的过程中,可先 消除其应力。通常对于奥氏体不锈钢材料,在约 1100℃下对其进行固溶处理,不锈钢的耐腐蚀性 能会发生明显改善,降低点蚀坑的发生率。 

(3)不锈钢波纹管膨胀节的服役环境较难更 改,可采取添加缓蚀剂的方式降低点蚀坑的发生率, 从而降低发生氯化物应力腐蚀开裂的敏感性。 

(4)进行水压试验时,要用干净的水源,以确保 其不含腐蚀性物质,如采用奥氏体不锈钢制作波纹 管膨胀节时,要控制水中的氯离子含量,同时将波纹 管补偿器中的积水及时排出。 

(5)建议提高波纹管的材料等级,如将其升级 到双相不锈钢,以避免发生氯化物应力腐蚀开裂。

参考文献: 

[1] 陈彩霞,郑杨艳.316L不锈钢波纹管膨胀节开裂原因 分析与预防[J].理化检验(物理分册),2015,51(1): 55-58. 

[2] 汤鹏杰,芮乐顺,梁斌.S30408不锈钢法兰开裂原因 [J].理化检验(物理分册),2022,58(8):46-49. 

[3] 佟铁民,齐义辉,谷志刚.金属波纹管补偿器的应力腐 蚀开裂分析[J].理化检验(物理分册),2012,48(8): 535-537,542. 

<文章来源   >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 6期 (pp:19-21)>