氢气输送304不锈钢管开裂原因分析
氢气是一种高度危险的气体,不仅易燃易爆,而且具有一定的毒性,因此氢气运输的安全性一直备受关注。氢气管与其他管道平行敷设时,一般敷设在外侧,敷设在顶层:上,与其他加热管的自由距离不应小于250mm。由于氢气具有点火能量低、与空气和氧气混合燃烧、爆炸极限宽、燃烧速度快等特点,在生产和使用过程中应特别注意氢气燃烧爆炸问题。一旦发生泄漏或火灾,后果不堪设想,损失不可估量。
本文所涉及的氢气管道材料为常用的304不锈钢管。详细分析其开裂原因,可为同类管材的失效提供参考,防止日后使用中发生此类事故,具有重要意义。
1 次测试
所涉及的输氢管道于1998年投入使用,铺设于屋顶,外面有防腐层,不保温,管道尺寸为219mm8mm,管道为304不锈钢,管道内介质为为加氢原料气,以氢气为主,设计压力4.8MPa,工作压力3.2MPa,设计温度50,温度操作温度正常,工况稳定,压力无明显波动和温度。在2015年的一次彻底检查中,发现管道的许多部位都存在裂纹。截取有裂纹的直管、三通和弯头进行裂纹分析。
通过宏观检查,分析管道的总体情况。通过金相分析,判断管道显微组织是否异常;使用扫描电子显微镜和电子能谱仪通过机械性能测试(拉伸测试和硬度测试)分析:腐蚀产物的裂纹和成分,以确定管道的机械性能是否下降。
2 结果与分析
2.1 管道概况
对样品进行宏观检查,防腐层整体完好,部分区域有破损。打磨防腐层后,未发现宏观裂纹,如图如图1;且管壁无明显腐蚀、变薄、变形现象。纵向切割管道后,发现管道内壁附着黑色腐蚀产物,呈块状分布,说明输送的氢气中存在腐蚀介质。
2.2 金相组织
分别从304不锈钢管、T型管和弯头上切下样品,观察金相组织。对样品进行抛光和抛光后,用4% 的喷雾溶液对其进行蚀刻。金相组织见图2-4。金相组织观察参照GB/T 13298-1991 《金属显微组织检验方法》。
从图2可以看出,304不锈钢管壁基体主要由共析铁素体和珠光体组成,灰色基体为等轴铁素体,黑色块体为片状珠光体。结构均匀、精细。 304不锈钢的正态残余相显微组织。
从图3中可以看出,焊缝周围区域厚且不均匀,热影响区形成条状马氏体,黑色珠光体呈带状,有聚集,灰色铁素体分布均匀。
从图4可以看出,在焊缝区附近,黑色珠光体含量逐渐增加,晶粒变大,大晶粒的强度和硬度往往小于小晶粒的强度和硬度。同时,焊缝附近出现条状马氏体组织。马氏体组织硬度高,韧性低,容易成为缺陷区。
研究表明,显微组织对应力腐蚀开裂的敏感性按以下顺序增加。铁素体中的球形碳化物组织经过充分调质。组织正火,回火组织正火,消光后组织不回火。马氏体组织。在上述金相组织分析中,马氏体组织出现在T和弯头处的焊缝附近,容易诱发硫化物应力腐蚀开裂。
2.3 力学性能
2.3.1 拉伸试验
在304不锈钢管和三通的不同位置共取12个拉伸试样进行力学性能测试。拉伸试验按GB/T228.1-2010 《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》试验标准进行,图5为试验前三个拉伸试样的宏观形貌。拉伸试验结果与标准值对比见表1。
图6 显示了拉伸试样断裂后断裂面的宏观形貌。图6a 和b 中样品的分解日期并不明显。图6a 中的样品断裂日显示了裂纹定义。图6b 中样品的横截面是平坦的,没有45 斜截面。两者都有脆性断裂。两个拉伸试样均存在微裂纹。图6c 样品断裂后,出现锥度,中间的纤维面积较大。根据表1的结果,管壁的总体力学性能符合标准,说明304不锈钢管没有发生材料劣化。
2.3.2 硬度
硬度测试在304 不锈钢管、三通管和弯头上进行。试件包括焊接热影响区和非材料区。图7 显示了一些样品的形态。试验结果见表2。根据GB/T 3639-2009 《冷拔或冷轧精密无缝钢管》,304不锈钢管硬度参考值小于156HB。从表2中的数据可以看出,被测材料具有良好的韧性,材料没有明显劣化。
2.4 内墙形态
2.4.1 腐蚀产物
通过电子能谱分析氢气管道内壁腐蚀产物,确定腐蚀产物中各元素的含量。
在含有水和硫化氢的环境中,碳钢和低合金钢会被湿H2S腐蚀,而湿H2S具有很强的腐蚀性。从图8中可以看出,腐蚀产物附着在管内壁上,腐蚀产物主要是Fe的氧化物和硫化物,元素S的存在表明氢介质中含有硫化物等腐蚀介质。同时,FeS可以沉积在金属表面形成保护膜,但膜的附着力差。在管内介质的擦洗作用下,腐蚀产物的薄膜从金属表面剥离,金属再次暴露在腐蚀介质中。此外,由于氢原子的渗透,管道还会发生局部应力腐蚀,属于湿H2s损伤中的硫化物应力腐蚀开裂。 2.4.2 内壁裂纹及腐蚀形态
图9为304不锈钢管除锈后内壁微观腐蚀形貌。在图9a-c中,可以看到管壁内表面有裂纹,裂纹较深,在膨胀过程中出现分叉,是低腐蚀裂纹的典型特征,张力。在图9d 中,内壁有很多腐蚀坑。点蚀现象明显,且腐蚀点蚀不断变大、聚集,并有形成微裂纹的趋势。
图10a 显示了三通管汇合处的微观形态。由于气流的磨蚀作用,管道内壁出现局部腐蚀,有大量的凹坑和深凹坑。图10bc 显示了焊接区附近。焊缝区域存在多个平行裂纹,残余应力会进一步促进焊缝扩散。
图11为弯头内壁除锈后腐蚀形态。弯头内壁有一定的冲刷腐蚀,装配体呈均匀腐蚀。从图11b可以看出,焊缝区与母材区之间存在裂纹。对比图11c和d可以看出,在远离焊缝区的管道内壁存在多条平行裂纹,说明管道内存在腐蚀介质,诱发应力腐蚀开裂。
3 结论
1)304不锈钢管力学性能满足材料要求,基体显微组织正常。焊缝区附近组织较厚,有少量马氏体组织。
2)304不锈钢管内表面有明显的腐蚀产物、裂纹和麻点,腐蚀产物中有明显的S元素,推测氢输送介质中有硫化物。裂纹起源于管内表面,主要分布在焊缝附近,少量分布在未焊区。
3)根据裂纹形态和腐蚀产物特征,304不锈钢管开裂被认为是硫化物应力腐蚀引起的。
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