常頂揮發(fā)線(xiàn)碳鋼管道焊縫脆性斷裂原因分析

束潤(rùn)濤 武漢市潤(rùn)之達(dá)石化設(shè)備有限公司

摘要：某石化公司常頂揮發(fā)線(xiàn)彎頭與法蘭焊縫出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致含硫化氫的油氣泄漏。經(jīng)分析，焊縫金屬的硬度值超標(biāo)，而且還存在強(qiáng)制組裝的結(jié)構(gòu)應(yīng)力問(wèn)題，不能滿(mǎn)足含硫化氫介質(zhì)環(huán)境的使用要求。微觀分析發(fā)現(xiàn)：焊縫和熱影響區(qū)存在粗大魏氏體脆性組織，屬于焊接熱循環(huán)過(guò)度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)大所致的非正常硫化氫應(yīng)力腐蝕脆性斷裂。

關(guān)鍵詞：焊縫 斷裂 硬度 魏氏體硫化氫

0、前言

某石化企業(yè)常頂揮發(fā)線(xiàn)管道使用時(shí)間僅10個(gè)多月就發(fā)現(xiàn)在彎頭與法蘭的焊縫部位發(fā)生硫化氫泄漏，經(jīng)檢查為焊縫金屬脆性斷裂。管內(nèi)介質(zhì)為含飽和硫化氫的油氣，設(shè)計(jì)材質(zhì)為20號(hào)鋼，規(guī)格：DN178×10，使用溫度：45℃，常壓。

1、斷裂部位和腐蝕形態(tài)

管內(nèi)介質(zhì)為含硫化氫的常頂油氣。硫化氫是一種神經(jīng)毒劑，在短時(shí)間吸入過(guò)量即可造成中毒窒息而死亡，一旦大量泄漏必將造成極大的安全危害。因此，整個(gè)裝置被迫緊急停車(chē)進(jìn)行搶修，并對(duì)斷裂原因進(jìn)行分析。

1.1管道焊縫的斷裂部位

管道焊縫金屬的斷裂部位和外表面痕跡見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 彎頭與法蘭焊縫斷裂位置

圖2 斷開(kāi)后復(fù)原的外表面痕跡

從圖1外表看，焊縫靠近法蘭熱影響區(qū)環(huán)向撕裂，環(huán)向撕裂的長(zhǎng)度接近管道周長(zhǎng)的1/2。將對(duì)應(yīng)法蘭螺栓卸下后發(fā)現(xiàn)彎頭連接法蘭與三通連接法蘭存在明顯錯(cuò)位，說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)組裝存在非常嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。圖2是拼起來(lái)的復(fù)原痕跡。

1.2管內(nèi)腐蝕情況及斷口形貌

硫化氫對(duì)碳鋼的均勻腐蝕速率較低，由于使用周期不長(zhǎng)，管內(nèi)無(wú)明顯腐蝕痕跡。將法蘭和彎頭拆下后，在未裂部位用錘擊便脆性斷裂，其斷裂部位呈巖石狀特征，見(jiàn)圖3。圖3左下角有塊狀撕裂痕跡，為典型的脆性斷裂形貌。

圖3 斷口為脆性形貌特征

2、焊接接頭性能分析和質(zhì)量追蹤

2.1化學(xué)成分分析

將彎頭、法蘭和焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，均滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，材質(zhì)無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。

2.2硬度檢測(cè)

用線(xiàn)切割取焊接接頭的小樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，壓頭直徑?2.5mm，在相隔20mm的部位用臺(tái)式布氏硬度機(jī)檢測(cè)兩組數(shù)據(jù)，其檢測(cè)結(jié)果如下：

表1 焊接接頭布氏硬度檢測(cè)結(jié)果（HB）

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果顯示，管道側(cè)母材硬度值正常，法蘭側(cè)母材略微偏高，焊縫金屬已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了母材的硬度值。第2組焊縫中心最高值229HB，超出了GB20581《鋼制壓力容器材料選用規(guī)定》中關(guān)于硫化氫使用環(huán)境中硬度單個(gè)值HV≤220的要求^【1】，說(shuō)明焊縫硬度值不符合硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境的使用要求。

2.3焊接工藝、焊接過(guò)程質(zhì)量控制和熱處理

該企業(yè)焊接工藝、焊接過(guò)程質(zhì)量控制和熱處理均沒(méi)有提供相應(yīng)原始文件。

20號(hào)鋼匹配的焊條牌號(hào)為J427，正常焊接狀態(tài)下的硬度值不應(yīng)大于180HB，根據(jù)焊縫中心單個(gè)硬度值大多超過(guò)180HB來(lái)判斷，焊接施工過(guò)程處于失控狀態(tài)。

3.微觀分析

將焊接接頭取樣進(jìn)行微觀光鏡分析，發(fā)現(xiàn)焊縫和熱影響區(qū)都存在粗大的魏氏體脆性組織，見(jiàn)圖4和圖5。兩側(cè)彎頭和法蘭母材組織正常，晶粒細(xì)小，見(jiàn)圖6和圖7。

圖4 焊縫為魏氏體組織 100×

圖5 熱影響區(qū)發(fā)生魏氏體轉(zhuǎn)變100×

圖 6 彎頭珠光體+鐵素體 100×

圖7 法蘭珠光體+鐵素體 100×

通過(guò)金相分析，發(fā)現(xiàn)焊縫金屬和熱影響區(qū)為晶粒粗大的魏氏體脆性組織，這些魏氏體組織就是導(dǎo)致焊接接頭脆性斷裂的主要原因。

4、分析和探討

4.1焊接接頭魏氏體脆性轉(zhuǎn)變的影響性分析

碳鋼材料焊縫金屬和熱影響區(qū)的魏氏體組織在一些文獻(xiàn)中有所介紹，但對(duì)其產(chǎn)生事故的案例分析很少見(jiàn)到。還有一些觀點(diǎn)認(rèn)為，焊接過(guò)程中產(chǎn)生魏氏體組織是不可避免的一種轉(zhuǎn)變，但忽略了魏氏體組織對(duì)腐蝕和安全的危害性認(rèn)識(shí)。魏氏體組織一般分為0～5級(jí)，級(jí)別越高晶粒越粗大^【2】，其脆性?xún)A向也越大。粗大魏氏體脆性組織一旦形成，其塑性和韌性都將大幅降低。事實(shí)上，焊縫和熱影響區(qū)粗大的魏氏體組織在結(jié)構(gòu)應(yīng)力、疲勞載荷以及應(yīng)力腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生非正常失效的概率很大，會(huì)直接導(dǎo)致焊接接頭使用壽命降低和安全風(fēng)險(xiǎn)增加的情況。

焊接接頭發(fā)生魏氏體脆性組織轉(zhuǎn)變的原因是：焊接時(shí)熱輸入偏大，焊縫金屬在高溫熔池中駐留的時(shí)間較長(zhǎng)，促使高溫奧氏體晶粒長(zhǎng)大并在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏象w組織。焊接熔池中熱循環(huán)過(guò)度的溫度場(chǎng)向熱影響區(qū)輻射，使熔合線(xiàn)附近的熱影響區(qū)母材形成重新結(jié)晶，也同樣會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)微觀組織的魏氏體脆性轉(zhuǎn)變，使焊接接頭的整體性能降低。

文獻(xiàn)2模擬鍋爐蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用20G接管進(jìn)行焊接試驗(yàn)和分析，但并沒(méi)有做焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性試驗(yàn)，亦忽視了魏氏體的危害性及影響。此外，橋梁和鋼結(jié)構(gòu)也存在類(lèi)似問(wèn)題，焊接接頭魏氏體組織的轉(zhuǎn)變也將是加速疲勞裂紋產(chǎn)生的重要原因之一，應(yīng)引起業(yè)內(nèi)足夠重視。魏氏體組織是一種脆性組織，要通過(guò)焊接工藝控制，避免出現(xiàn)魏氏體組織。

在實(shí)際生產(chǎn)中，碳鋼材料在鑄造、熱軋、鍛造后空冷，焊縫或熱影響區(qū)在高溫段停留時(shí)間過(guò)久后空冷，或者當(dāng)加熱溫度過(guò)高，并以較快的速度冷卻，先共析鐵素體或先共析滲碳體從奧氏體晶界生長(zhǎng)出來(lái)的近于平行的或者其他規(guī)則排列的針狀鐵素體或滲碳體加珠光體組織就是魏氏體^【3】。魏氏體組織一旦形成，將會(huì)導(dǎo)致硬度上升，塑性和韌性大幅降低，脆性特征明顯，其應(yīng)力腐蝕危害和安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

實(shí)際上魏氏體是在高溫段沿著過(guò)飽和固溶體的特定晶面析出，冷卻時(shí)在鐵素體母相內(nèi)呈一定規(guī)律的片狀或針狀分布的第二相形成的復(fù)相組織，魏氏體組織通過(guò)正火可以徹底消除，通過(guò)退火也可以降低魏氏體組織的不利影響。

焊接時(shí)嚴(yán)格按照焊接工藝，或WPS規(guī)程施焊，均不會(huì)產(chǎn)生魏氏體組織。

工程應(yīng)用中，在焊接管理和焊工操作上是以“合規(guī)”為基礎(chǔ)，判斷焊接接頭質(zhì)量的好壞基本上是以無(wú)損檢測(cè)合格為原則。但在趕工期的前提下，不斷提高焊接速度或采用大線(xiàn)能量焊接中厚板，從而導(dǎo)致焊接熔池的熱循環(huán)過(guò)于集中而發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變。

4.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的影響

根據(jù)圖1所示，彎頭連接法蘭與三通連接法蘭的組對(duì)存在明顯錯(cuò)位，說(shuō)明管道安裝現(xiàn)場(chǎng)為野蠻施工，而且質(zhì)量監(jiān)管失控，這種強(qiáng)制組裝會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

該管道的流體物料為含飽和硫化氫的塔頂油氣，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)會(huì)在流阻的作用下產(chǎn)生振動(dòng)疲勞。

流體中的飽和硫化氫與碳鋼管材接觸會(huì)與金屬內(nèi)表面的鐵反應(yīng)生成硫化鐵和氫氣（H₂S+Fe→FeS＋H₂），在管道對(duì)接焊縫為粗大魏氏體脆性組織的前提下，流體在彎頭處出現(xiàn)流阻而發(fā)生振動(dòng)，在達(dá)到一定的時(shí)限后形成微小的疲勞裂紋，而大量的氫原子會(huì)在裂紋處聚集，在局部形成很大的氫分壓，進(jìn)而在結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂。

這種經(jīng)強(qiáng)力組裝的管道，在焊接脆性和持續(xù)振動(dòng)的使用條件下，即便物料中沒(méi)有硫化氫介質(zhì)，也會(huì)因振動(dòng)疲勞而發(fā)生脆性斷裂，只是失效的時(shí)間不同而已。

5、總結(jié)

5.1管道焊縫的硬度值過(guò)高，法蘭組對(duì)存在嚴(yán)重的尺寸錯(cuò)位，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)大，焊接接頭不能滿(mǎn)足硫化氫環(huán)境的使用要求；

5.2通過(guò)微觀分析，發(fā)現(xiàn)焊縫和熱影響區(qū)存在晶粒粗大的魏氏體脆性組織，屬于焊接熱循環(huán)過(guò)大所造成的脆性轉(zhuǎn)變；

5.3腐蝕失效的原因?yàn)楹附咏宇^微觀組織的脆性轉(zhuǎn)變+野蠻組裝的結(jié)構(gòu)應(yīng)力+飽和硫化氫導(dǎo)致的氫滲透腐蝕，該案例為非正常情況下的硫化氫應(yīng)力腐蝕；

5.4建議強(qiáng)化管道組裝現(xiàn)場(chǎng)管理的過(guò)程控制，不僅要避免強(qiáng)制組裝帶來(lái)的組裝應(yīng)力，而且要嚴(yán)格按焊接工藝規(guī)程進(jìn)行焊接和監(jiān)管，避免焊縫和熱影響區(qū)出現(xiàn)魏氏體脆性轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

【1】GB20581-2011，《鋼制壓力容器材料選用規(guī)定》，中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部發(fā)布。

【2】碳鋼焊縫、熱影響區(qū)魏氏體組織的形成及性能特點(diǎn)，作者：姜龍、張方、王勇，《余熱鍋爐》2013.1，P9.

【3】《金屬學(xué)及熱處理》崔忠圻 編 P274頁(yè)。

作者簡(jiǎn)介：

束潤(rùn)濤，男，1966年4月出生。武漢市潤(rùn)之達(dá)石化設(shè)備有限公司總經(jīng)理兼研發(fā)中心主任，湖北省焊接技術(shù)協(xié)會(huì)常務(wù)理事。長(zhǎng)期從事石化設(shè)備的材料、焊接和腐蝕失效分析和研究工作，公開(kāi)發(fā)表專(zhuān)業(yè)技術(shù)論文20多篇。獲得5項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)證書(shū)和20多項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利授權(quán)證書(shū)，其中“耐硫化氫腐蝕09Cr2AlMoRE換熱器”獲得湖北省重大科技成果獎(jiǎng)。是武漢工程大學(xué)和湖北工業(yè)大學(xué)特聘校外研究生導(dǎo)師。E-mail：shu8088@263.net