POP装置换热器膨胀节开裂原因分析

　　安全分析POP装置换热器膨胀节开裂原因分析陆卫东，王兆伟，沈文明（中国石化上海高桥石油化工公司，上海200137）扫描及其腐蚀产物的能谱分析发现，由氯离子引起的应力腐蚀是导致这种开裂的根本原因，而避免氯离子的结聚是解决膨胀节开裂失效的有效方法。

　　6：A文章编号：1001― 1概况纯净循环水，设计温度：30 ~130°C，操作压力：0.6MPa；管程：POP聚醚，温度：140K操作压力：0.6MPa；立式放置。2003年12月初投入使用，2004年10月其膨胀节环向焊缝上部分位置出现泄漏，大约在周长400mm范围内产生环向裂纹。在修理补焊过程中，膨胀节母材上又发现与环焊缝垂直的裂纹。

　　检测壁厚基本未减薄。

　　2膨胀节的设计条件与基本参数该换热器的设计条件为壳程压力0.用的膨胀节直径为400mm，材料用304不锈钢，厚3mm外表面采用岩棉保温。

　　3膨胀节失效分析3.1材料化学成分材料化学成分分析结果见表1.从表中看出，基本符合304奥氏体不锈钢的成分要求。焊缝材料成分无异常情况。

　　3.2材料金相组织为膨胀节材料金相组织，母材、焊缝和热影响区均为奥氏体组织，母材晶粒正常，焊缝区晶粒粗大，热影响区有少量碳化物析出。根据膨胀节化学成分和金相组织结果，出现裂纹不是材料本身问题造成的。

　　过的试样，经着色探伤后显示外表面的母材区有明显的裂纹，并与焊缝相连。

　　表1材料成分分析结果（）（a）、（b）为裂纹宏观形貌，箭头所示区域为外表面裂纹位置，母材和热影响区上均有裂纹，热影响区上裂纹与环焊缝平行，母材上裂纹大多与环焊缝垂直。在对应外表面裂纹处的内表面（（c））经检测未显示裂纹，说明裂纹起源于外表面，部分裂纹尚未扩展到内表面。（d）为割下的焊缝补焊3.3.2裂纹金相分析为检查裂纹的开裂微观情况，取裂纹尖端部分进行金相分析，另一部分进行断口扫描电镜分析。由于裂纹还未扩展至内表面（仅有一薄层相连），对其扳断分析。

　　观察裂纹尖端金相是指在裂纹尖端（即断裂件尚未完全断开）处沿断裂表面的垂直方向抛光，在显微镜下观察裂纹尖端情况。不同的断裂机理其裂纹尖端呈不同的形态，可以判别裂纹扩展的类型，进而确定裂纹扩展机理。因此裂尖的金相分析是研究裂纹形成原因很重要的手段。

　　是一段裂纹的形貌，裂纹没有分叉，不连续，多条平行扩展。是裂纹尖端金相，裂纹呈穿晶扩展。

　　3.3.3裂纹断口分析断口表面有很多腐蚀产物。断口表面无剪切唇，也无明显的塑性韧窝痕迹，即宏观上无纤维状断口，说明断裂是带有脆性断裂的宏观特征。为进一步对断口表面进行深入分析，需在扫描电镜下对断口进行放大分析。

　　微观分析主要是利用扫描电子显微镜观察断口表面形貌，以帮助判断断裂机理。不同的开裂机理呈不同的断口形貌，因此从断口形貌上可判别断裂的性质，推断裂纹产生和扩展的原因和过程。

　　（a）为断口扫描电镜整体形貌，（b）为新扳断处断口，韧窝明显，说明材料性能优良，裂纹的产生不是材料问题造成的。（c）（d）为断口表面形貌，表面分布大量腐蚀产物，许多地方的腐蚀产物龟裂而呈泥块状花样，这说明裂纹不是新产生的，而是出现了很长时间。对断口表面进行清洗观察发现，断口表面为河流状的解理断裂（（）），有些呈羽毛状解理断口并有很多二次裂纹，是典型的奥氏体不锈钢氯离子的应力腐蚀特征，是环境因素造成的。为确认产生应力腐蚀的环境因素，对断口表面做能谱分析。

　　3.34断口表面腐蚀产物能谱分析在扫描电镜上用EDAX能谱分析断口表面的腐蚀产物，以确定产生应力腐蚀的介质。对表面能谱分析结果表明，腐蚀产物有氯，这说明裂纹是由氯离子导致的304不锈钢应力腐蚀。

　　3.4开裂原因分析不锈钢膨胀节开裂分析结果表明，开裂是穿晶的、脆性的、具有典型的奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的特征，是氯离子造成的。

　　由于POP装置工艺的特殊性，设备经常堵塞。

　　系统经常用江水冲洗，有时每月3、4次，江水中氯离子含量近100ppm冲洗过程中水渗入到保温岩棉中，这样就具备了产生应力腐蚀的介质条件。奥氏体不锈钢氯离子腐蚀介质浓度不一定要求很高，水中含有ppm数量级的氯离子浓度，就能引起应力腐蚀开裂，因为在腐蚀环境中很容易引起腐蚀介质局部增浓作用。

　　焊接热影响区存在焊接残余拉应力，具备产生应力腐蚀的应力条件。母材上轴向裂纹是由于周向应力作用的结果，而周向应力又是多种因素综合作用的结果，包括制造时的应力和焊接安装中产生的应力。

　　这种由氯离子引起应力腐蚀断裂的产生过程为，首先由于有氯离子富集的环境条件，然后氯离子选择地吸附在不锈钢表面，破坏不锈钢的钝化膜而选择地腐蚀，破坏的地方对于有膜覆盖的地方来说是阳极，金属就成为离子而溶解下来，腐蚀电流流向阴极，使溶解的氧进行去极化反应，反应过程如下：由于阳极比阴极面积小得多，所以阳极电流密度很大，结果被腐蚀成沟形裂缝，加速了阳极的溶解，阻止了膜的重新生成，同时在膜的两边因为有效应力很快消失，可以再生成膜而成为阴极部分，这样，裂缝在应力作用下，通过电化学过程就继续发展，象尖刀形那样向前延伸，终导致金属发生破裂，继而产生应力集中而产生应力腐蚀。

　　母材上的裂纹是在焊接过程中发现的，其实在使用过程中就已经产生，只是外表面有一层锈，加之裂纹开口很窄，没有被发现。焊接过程由于受热膨胀，原来很窄的裂纹张大而被发现。这从裂纹断口上证实了这一点，因为断口大部分有腐蚀，是长期工作过程中产生的，而不是焊接过程产生的新鲜裂纹。

　　4预防措施由于换热器壳程使用的循环水为纯水，因此膨胀节可以使用304奥氏体不锈钢。预防膨胀节外表面的氯离子，避免冲洗水或冲洗水时水渗到岩棉内，或者使用其他不容易吸水的保温材料。

　　5结论（1）304奥氏体不锈钢膨胀节焊缝和母材裂纹宏观和显微分析表明，裂纹起源于膨胀节外表面，是氯离子的应力腐蚀所致。江水冲洗（下转第28页）4停工段第五阶振型变形前后模型图属于薄壁容器并且塔内无其它设备部件，因此焦炭塔设备在计算固有频率和振型时不符合悬臂梁模型的基本假设。这也是以悬臂梁模型与以实际模型计算所得焦炭塔固有频率和振型有较大不同的原因。

　　尤其焦炭塔设备在涉及高阶振型和固有频率计算时不宜简化为悬臂梁计算模型。