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      304H不銹鋼管開裂原因分析及對應策略

      來源: 發布時間:2021-05-27 次瀏覽

          304H為較常用的奧氏體不銹鋼,化學成分與304極為相近,但其碳含量比304略高,有較為良好的耐高溫性能,其化學成分及力學性能見表1、表2。某苯乙烯裝置換熱器出口管道上6支不銹鋼管材質全部為304H.在投運后的4個月即出現彎頭部位焊接接頭開裂,裂紋位于焊接接頭中央,最初采用了帶壓堵漏的方式進行了封堵,但在隨后的使用過程中,不斷出現開裂或變形的問題.我公司承擔苯乙烯裝置的日常檢維修工作,需要對其開裂原因進行探究,并提出相應解決方法.

      1現場情況說明

          換熱器35-E-3002出口管線上6根支管,規格Q356×6.35mm,介質為過熱蒸汽,操作壓力0.046MPa.操作溫度588-600℃,支管上部有1DN350的切斷閥和lDN200*250的安全閥,立管未設支撐,見圖1、圖2,圖3。304H不銹鋼管開裂情況如下:

          (1) 2005719日發現其中一根304H不銹鋼管焊接接頭開裂.裂紋位于焊接接頭中心,當時采用帶壓堵漏.

          (2) 200610月裝置停車檢修,對接管的焊接接頭進行滲透(PT)檢查,發現有4個接頭存在裂紋,進行了焊接修補。同年1110日,裝置檢修后運行約10d.再次發現裂紋,當時采取的辦法也是帶壓堵漏,而該部位在檢修期間經著色是合格的.

          (3) 20085月檢修,發現6304H不銹鋼管都存在變形,其中有5根存在裂紋,當時對缺陷部位進行了焊接修復.

      2、304H不銹鋼管裂紋位置分析

          304H不銹鋼管焊接接頭和熱影響區普遍存在裂紋,母材表面也出現了細小的表面裂紋,立管整體出現蠕脹變形:

          0610月檢查發現,有4個接管存在裂紋,裂紋主要位于彎頭與直管焊接接頭附近,只有2條裂紋處于焊接接頭中央,見圖4.其余大部分位于熱影響區,見圖5t管道母材上也有少量表而裂紋。

          085月份檢查發現6根管線中5根存在裂紋,相比2006年裂紋更多更深,裂紋主要集中在熱影響區,局部母材也出現貫穿裂紋,彎頭與304H不銹鋼管的焊接接頭也出現了裂紋。

      3金屬失效原因分析

          金屬材料的開裂從焊接角度分析有:焊接材料選用不正確.工藝參數不合理,線能量過大焊接接頭有未熔合,未焊透、夾渣、咬邊等缺陷.焊接接頭存在較大應力等原因.而從使用工況分析有:金屬疲勞引起的塑性變形損傷.高溫狀態下材料性能發生變化而引起的蠕變破壞.腐蝕介質及拉應力狀態下的應力開裂等原因.

      從焊接角度分析

          通過查閱廠家的最初施工資料,發現該處焊縫的焊接材料選用的是ER308+A102.是常用于304不銹鋼的焊接材料,在材質為304H的該熱力管道上進行施焊顯然選材不匹配.進一步查閱該批焊材質保書,其碳含量均小于0.04%,再加上焊接時元素的燒損,晶粒的粗大,焊接殘余應力的存在等,便確定了焊冀及其熱影響區在如此高溫運行時其機械性能本身就劣于母材,再加上所受的剪切應力,所以在焊縫位置發生蠕變及應力松弛便早于母材.

      從使用工況分析

          由于該管線介質為蒸汽,不存在腐蝕性介質,也不具有晶問腐蝕形成的條件,不具備出現應力腐蝕開裂的條件,所以可以判斷此處裂紋非應力腐蝕導致.

          此處安全閥支管常態下承受的是靜載,操作溫度變化很小,所以其溫度及受力無交替性或周期性變化,也不具備出現金屬疲勞破壞的條件,因此金屬疲勞造成的破壞也可以排除在外.

          高溫狀況下,金屬材料在恒定外力作用下,可以產生緩慢而持久的形變,我們稱之為蠕變.在高溫和應力作用下,所有金屬都會產生蠕變,即發生永久性變形,最終會導致金屬斷裂.載荷和溫度越高,斷裂發生的就越快.

      4對高溫狀況下金屬材料蠕變的探討

      受力分析

        安全閥放空管道操作溫度約588 - 600℃,其主要受力狀態一個是管道系統本身的內壓,一個是管道及閥門管件的自重,由于其內壓受力較小并且對管道失效沒起主導作用,本次討論暫不考慮.

          安全閥支線45°彎頭部位可以簡化地看作是一個薄壁圓筒形的受力構件,主要承受來自直管,大小頭,法蘭,切斷閥,安全閥的重量G匣過查表估算約19.6kN).并假設全部重量都作用在立管和彎頭部位,則可以通過以下分析得出其受到的彎曲正應力。

        金屬蠕滑變形中絕大部分為塑性變形,也可以看作是一種緩慢的金屬流動.對于長期工作在高溫狀態下的304H不銹鋼管其焊接接頭位置的應力釋放會表現為應力松弛.由圖12金屬蠕變曲線表明,金屬的蠕變變形量是隨著時間的累計而增加的,其蟠變速率先為減速階段,然后為恒速階段,最后到加速階段直至發生斷裂.這也可以解釋為什么隨著時間的增加.304H不銹鋼管的開裂及變形狀況會越來越大,越來越明顯,并且這種狀態集中出現在2008年.

        通過圖13可以看出,對于外徑356mm,壁厚6.35mm304不銹鋼其使用溫度極限為1120'F左右,基本已經接近其操作溫度.所以從此也可以基本判定,降低半徑厚度之比,便可以適當提高材料的使用溫度極限.比如將母材厚度增加.

        奧氏體不銹鋼的物理特性是熱導率小、線膨脹系數大,其每條支線相當于兩端均受約束,一旦在高溫狀態并且受力的情況下其應力導致的塑性變形難以在軸向釋放,而變成向四周徑向范圍內變形,根據管線規格表,管線為DN350的有縫管,外徑為356mm,管線標準周長為1118.4mm,根據現場測量所有管線外徑測量結果基本都發生變大,管線整體發生蠕脹.

          臭氏體不銹鋼焊接接頭在高溫狀態下會析出口相而導致焊接接頭發生脆性轉變,立管在高溫狀態運行時,由于其外部沒有保溫層,會有少量蒸汽凝液順管壁內側凝集下淌,并造成管壁熱應力的分布不勻.這些因素也會對管道的變形開裂起到一定推波助瀾的作用.

          綜上所述,由于304H管線的管徑/壁厚之比較大.DN350的管道設計壁厚只有6. 35mm,雖然管線壓力不高,但是每根管線都撐著一個大的切斷閥和安全閥而沒有支撐.在如此大的載荷和高溫作用下,并且在其他不利因素共同作用下造成管線發生金屬蠕變,最終引起焊接接頭開裂,母材變形腫脹,以致管子凹陷和彎曲.

      5結論

        造成304H不銹鋼管開裂的根本原因是管道焊材選用不正確,立管自身無支撐支架,在高溫狀態及負載的共同作用下導致了蠕變的發生,再加上高溫狀態下奧氏體焊接接頭發生的口相脆化及蒸汽凝液引發的熱應力變形等一塊促進了金屬的變形開裂,

        針對以上情況,在2008年檢修期間對該6304H熱力管道彎頭與直管段全部做了更換,焊絲選用ER308H,焊條選用E308H.焊接時使用小線能量,并保證層間溫度低于100℃,在立管部位增設了彈簧支架,立管進行了保溫措施.

        從管道改造至今一年多來該6304H不銹鋼管運行正常,由此表明對應304H不銹鋼管開裂及變形所采取的各項措施是比較合理和有效的.


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