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氫氣輸送304不銹鋼管開(kāi)裂原因分析

發(fā)布時(shí)間：2021-08-13 09:09:03 丨 瀏覽次數(shù)：

氫氣是一種高度危險(xiǎn)的氣體，不僅易燃易爆，而且具有一定的毒性，因此氫氣運(yùn)輸?shù)陌踩砸恢眰涫荜P(guān)注。氫氣管與其他管道平行敷設(shè)時(shí)，一般敷設(shè)在外側(cè)，敷設(shè)在頂層：上，與其他加熱管的自由距離不應(yīng)小于250mm。由于氫氣具有點(diǎn)火能量低、與空氣和氧氣混合燃燒、爆炸極限寬、燃燒速度快等特點(diǎn)，在生產(chǎn)和使用過(guò)程中應(yīng)特別注意氫氣燃燒爆炸問(wèn)題。一旦發(fā)生泄漏或火災(zāi)，后果不堪設(shè)想，損失不可估量。

本文所涉及的氫氣管道材料為常用的304不銹鋼管。詳細(xì)分析其開(kāi)裂原因，可為同類(lèi)管材的失效提供參考，防止日后使用中發(fā)生此類(lèi)事故，具有重要意義。

1 次測(cè)試

所涉及的輸氫管道于1998年投入使用，鋪設(shè)于屋頂，外面有防腐層，不保溫，管道尺寸為219mm8mm，管道為304不銹鋼，管道內(nèi)介質(zhì)為為加氫原料氣，以氫氣為主，設(shè)計(jì)壓力4.8MPa，工作壓力3.2MPa，設(shè)計(jì)溫度50，溫度操作溫度正常，工況穩(wěn)定，壓力無(wú)明顯波動(dòng)和溫度。在2015年的一次徹底檢查中，發(fā)現(xiàn)管道的許多部位都存在裂紋。截取有裂紋的直管、三通和彎頭進(jìn)行裂紋分析。

通過(guò)宏觀檢查，分析管道的總體情況。通過(guò)金相分析，判斷管道顯微組織是否異常；使用掃描電子顯微鏡和電子能譜儀通過(guò)機(jī)械性能測(cè)試（拉伸測(cè)試和硬度測(cè)試）分析：腐蝕產(chǎn)物的裂紋和成分，以確定管道的機(jī)械性能是否下降。

2 結(jié)果與分析

2.1 管道概況

對(duì)樣品進(jìn)行宏觀檢查，防腐層整體完好，部分區(qū)域有破損。打磨防腐層后，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋，如圖如圖1；且管壁無(wú)明顯腐蝕、變薄、變形現(xiàn)象?？v向切割管道后，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁附著黑色腐蝕產(chǎn)物，呈塊狀分布，說(shuō)明輸送的氫氣中存在腐蝕介質(zhì)。

2.2 金相組織

分別從304不銹鋼管、T型管和彎頭上切下樣品，觀察金相組織。對(duì)樣品進(jìn)行拋光和拋光后，用4% 的噴霧溶液對(duì)其進(jìn)行蝕刻。金相組織見(jiàn)圖2-4。金相組織觀察參照GB/T 13298-1991 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。

從圖2可以看出，304不銹鋼管壁基體主要由共析鐵素體和珠光體組成，灰色基體為等軸鐵素體，黑色塊體為片狀珠光體。結(jié)構(gòu)均勻、精細(xì)。 304不銹鋼的正態(tài)殘余相顯微組織。

從圖3中可以看出，焊縫周?chē)鷧^(qū)域厚且不均勻，熱影響區(qū)形成條狀馬氏體，黑色珠光體呈帶狀，有聚集，灰色鐵素體分布均勻。

從圖4可以看出，在焊縫區(qū)附近，黑色珠光體含量逐漸增加，晶粒變大，大晶粒的強(qiáng)度和硬度往往小于小晶粒的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)，焊縫附近出現(xiàn)條狀馬氏體組織。馬氏體組織硬度高，韌性低，容易成為缺陷區(qū)。

研究表明，顯微組織對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性按以下順序增加。鐵素體中的球形碳化物組織經(jīng)過(guò)充分調(diào)質(zhì)。組織正火，回火組織正火，消光后組織不回火。馬氏體組織。在上述金相組織分析中，馬氏體組織出現(xiàn)在T和彎頭處的焊縫附近，容易誘發(fā)硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 拉伸試驗(yàn)

在304不銹鋼管和三通的不同位置共取12個(gè)拉伸試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。拉伸試驗(yàn)按GB/T228.1-2010 《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，圖5為試驗(yàn)前三個(gè)拉伸試樣的宏觀形貌。拉伸試驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比見(jiàn)表1。

圖6 顯示了拉伸試樣斷裂后斷裂面的宏觀形貌。圖6a 和b 中樣品的分解日期并不明顯。圖6a 中的樣品斷裂日顯示了裂紋定義。圖6b 中樣品的橫截面是平坦的，沒(méi)有45 斜截面。兩者都有脆性斷裂。兩個(gè)拉伸試樣均存在微裂紋。圖6c 樣品斷裂后，出現(xiàn)錐度，中間的纖維面積較大。根據(jù)表1的結(jié)果，管壁的總體力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明304不銹鋼管沒(méi)有發(fā)生材料劣化。

2.3.2 硬度

硬度測(cè)試在304 不銹鋼管、三通管和彎頭上進(jìn)行。試件包括焊接熱影響區(qū)和非材料區(qū)。圖7 顯示了一些樣品的形態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)GB/T 3639-2009 《冷拔或冷軋精密無(wú)縫鋼管》，304不銹鋼管硬度參考值小于156HB。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，被測(cè)材料具有良好的韌性，材料沒(méi)有明顯劣化。

2.4 內(nèi)墻形態(tài)

2.4.1 腐蝕產(chǎn)物

通過(guò)電子能譜分析氫氣管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物，確定腐蝕產(chǎn)物中各元素的含量。

在含有水和硫化氫的環(huán)境中，碳鋼和低合金鋼會(huì)被濕H2S腐蝕，而濕H2S具有很強(qiáng)的腐蝕性。從圖8中可以看出，腐蝕產(chǎn)物附著在管內(nèi)壁上，腐蝕產(chǎn)物主要是Fe的氧化物和硫化物，元素S的存在表明氫介質(zhì)中含有硫化物等腐蝕介質(zhì)。同時(shí)，F(xiàn)eS可以沉積在金屬表面形成保護(hù)膜，但膜的附著力差。在管內(nèi)介質(zhì)的擦洗作用下，腐蝕產(chǎn)物的薄膜從金屬表面剝離，金屬再次暴露在腐蝕介質(zhì)中。此外，由于氫原子的滲透，管道還會(huì)發(fā)生局部應(yīng)力腐蝕，屬于濕H2s損傷中的硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 2.4.2 內(nèi)壁裂紋及腐蝕形態(tài)

圖9為304不銹鋼管除銹后內(nèi)壁微觀腐蝕形貌。在圖9a-c中，可以看到管壁內(nèi)表面有裂紋，裂紋較深，在膨脹過(guò)程中出現(xiàn)分叉，是低腐蝕裂紋的典型特征，張力。在圖9d 中，內(nèi)壁有很多腐蝕坑。點(diǎn)蝕現(xiàn)象明顯，且腐蝕點(diǎn)蝕不斷變大、聚集，并有形成微裂紋的趨勢(shì)。

圖10a 顯示了三通管匯合處的微觀形態(tài)。由于氣流的磨蝕作用，管道內(nèi)壁出現(xiàn)局部腐蝕，有大量的凹坑和深凹坑。圖10bc 顯示了焊接區(qū)附近。焊縫區(qū)域存在多個(gè)平行裂紋，殘余應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)焊縫擴(kuò)散。

圖11為彎頭內(nèi)壁除銹后腐蝕形態(tài)。彎頭內(nèi)壁有一定的沖刷腐蝕，裝配體呈均勻腐蝕。從圖11b可以看出，焊縫區(qū)與母材區(qū)之間存在裂紋。對(duì)比圖11c和d可以看出，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的管道內(nèi)壁存在多條平行裂紋，說(shuō)明管道內(nèi)存在腐蝕介質(zhì)，誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

3 結(jié)論

1）304不銹鋼管力學(xué)性能滿足材料要求，基體顯微組織正常。焊縫區(qū)附近組織較厚，有少量馬氏體組織。

2）304不銹鋼管內(nèi)表面有明顯的腐蝕產(chǎn)物、裂紋和麻點(diǎn)，腐蝕產(chǎn)物中有明顯的S元素，推測(cè)氫輸送介質(zhì)中有硫化物。裂紋起源于管內(nèi)表面，主要分布在焊縫附近，少量分布在未焊區(qū)。

3）根據(jù)裂紋形態(tài)和腐蝕產(chǎn)物特征，304不銹鋼管開(kāi)裂被認(rèn)為是硫化物應(yīng)力腐蝕引起的。