输氧管焊缝热影响区环形裂纹产生的部位及原因分析

作者:曹海平;张紫平; 刊名:化肥设计 上传者:周宗庆

【摘要】某煤炭化工企业在使用NO6600镍基合金管输送氧气的过程中,焊缝附近出现了环状裂纹,造成输氧管线发生泄漏。宏观观察发现,裂纹是沿着平行于焊缝的方向发生的周向贯穿型开裂,裂纹断口整齐,从断裂形态上判断为脆性断裂。利用扫描电子显微镜(SEM)观察可以看出,裂纹断裂是沿着晶界发生的脆性开裂,属于解理性断口。根据输氧管内壁黑色腐蚀产物的成分(EDS)分析,发现在裂纹区域有害元素w(S)高达3.07%~7.87%。XRD分析发现腐蚀产物相主要为FeNi2S4、Ni3S4等硫化物,这就揭示了输氧管环状裂纹的萌生、扩展与断裂的主要内在原因是硫化物应力腐蚀,硫化物的生成引发了合金焊缝热影响区(HAZ)发生了晶界脆化腐蚀,引发裂纹萌生、扩展,输氧管特定的工作条件这个外因促进和加速了裂纹的扩展,最终导致贯穿裂纹的产生。

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doi:10.3969/j.issn.1004-8901.2017.03.009煤化工氧气管道(一般氧气纯度99.5%,压力通常为4~8.7MPa(g))具有氧气纯度高和压力高的特点,其危险性主要来自于自身燃烧、爆炸和氧气泄漏引起的火灾[1]。输氧管线的安全设计与运行一直是企业关注的重点,学者对输氧管的安全设计也有过一些研究[1-2]。虽然对于奥氏体镍基合金焊缝裂纹的产生与扩展机理已有了不少研究[3-6],但对于输氧管因裂纹产生引发泄漏事故的分析相对较少。根据近期某煤化工有限责任公司在检修过程中发现的输氧管焊缝热影响区开裂现象,为了找到输氧管发生泄漏的原因,保障煤化工企业输氧管安全、稳定运行,对输氧管发生泄漏的部位开展了针对性研究,对NO6600合金输氧管内壁腐蚀产物、裂纹表面腐蚀产物、裂纹前沿腐蚀产物的形貌、成分和物相组成进行了扫描电子显微镜(SEM)能谱分析(EDS)和X-Ray衍射(XRD)分析,对镍基合金焊缝热影响区裂纹产生的原因进行了探讨。1输氧管工作环境及裂纹产生部位镍基合金NO6600氧气管线输送的介质为180的O2,工作压力为4.64MPa(g),最大流量3.7kg/s,输氧管外径168mm,壁厚7.92mm。输氧管的主要功能是为气化炉提供高压、高温氧气,促进固态煤发生向气态介质的转变反应,在其正常运行两年多后,在焊缝区域发生环形裂纹,导致了所输送氧气发生泄漏,在其他类似输氧管线部位同时也发生了气体泄漏,主要特点为:(1)裂纹出现位置主要集中在单向阀与气化炉之间的管段;(2)裂纹全部发生在焊缝的热影响区HAZ,开裂特征为周向开裂,裂纹走向为径向走势,与主应力方向垂直。输氧管裂纹宏观照片见图1。图1NO6600合金输氧管裂纹及断面宏观照片从NO6600合金供氧管焊缝HAZ裂纹宏观照片、断口宏观形貌上清楚看出,裂纹开裂走势的特征为径向和周向。从图1右图能清晰地看到管内壁附着黑色的腐蚀产物,靠近内壁的裂纹断口颜色发黑,基本与内壁颜色一致,靠近外壁颜色浅,呈淡黄色,暗示了裂纹的径向扩展走势;在裂纹没有完全开裂的部分,用虎钳夹住,施加很小的剪切力,裂纹就扩展开来,最后断开的部分是外径部分。这充分说明,裂纹在扩展过程中对HAZ区域的晶界有选择性的穿透迹象,沿晶腐蚀产生腐蚀产物,一方面造成晶界处结合力弱化,另一方面造成应力集中,加速裂纹扩展,起到协同推动作用,特别是输氧管工作在4.64MPa(g)高压下,使得这一效应更加突出,这就能解释NO6600合金输氧管焊缝HAZ裂纹会在较短的时间内发生贯穿性开裂的现象。焊剂材质为ERNiCr-3合金,焊前预热到20,焊接工艺无特殊要求,焊接电流90~140A,电压12~16V,检验是RT二级合格,焊后热处理无特殊要求。ERNiCr-3合金的名义成分见表2。表2ERNiCr-3合金的名义成分%项目CNiCrNbTiFeMnSiCuPSmin67181.52.5max0.12230.733.50.50.50.020.015注:名义成分中含有Nb、Ti强碳化物稳定元素,Ti(Nb)/C在15~37之间,Ti/C=7。2输氧管断口显微组织观察及成分分析利用扫描电子显微镜(SEM)对输氧管裂纹表面的微观形貌进行了观察,结果见图2。图2NO6600合金输氧管裂纹SEM显微形貌从图2中SEM下不同放大倍数的断口显微形貌可以看出,裂纹断裂是沿着晶界发生,属于解理性断口特征的脆性开裂,没有任何塑性变形特征,这与合金正常的变形行为不符,暗示了晶界脆化腐蚀行为的发生。对断口处的腐蚀产物进行EDS成分分析,结果发现:裂纹处有较多

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