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    氫氣輸送304不銹鋼管開裂原因分析

    發布時間:2021-08-13 09:09:03 丨 瀏覽次數:

    氫氣是一種高度危險的氣體,不僅易燃易爆,而且具有一定的毒性,因此氫氣運輸的安全性一直備受關注。氫氣管與其他管道平行敷設時,一般敷設在外側,敷設在頂層:上,與其他加熱管的自由距離不應小于250mm。由于氫氣具有點火能量低、與空氣和氧氣混合燃燒、爆炸極限寬、燃燒速度快等特點,在生產和使用過程中應特別注意氫氣燃燒爆炸問題。一旦發生泄漏或火災,后果不堪設想,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。詳細分析其開裂原因,可為同類管材的失效提供參考,防止日后使用中發生此類事故,具有重要意義。

    1 次測試

    所涉及的輸氫管道于1998年投入使用,鋪設于屋頂,外面有防腐層,不保溫,管道尺寸為219mm8mm,管道為304不銹鋼,管道內介質為為加氫原料氣,以氫氣為主,設計壓力4.8MPa,工作壓力3.2MPa,設計溫度50,溫度操作溫度正常,工況穩定,壓力無明顯波動和溫度。在2015年的一次徹底檢查中,發現管道的許多部位都存在裂紋。截取有裂紋的直管、三通和彎頭進行裂紋分析。

    通過宏觀檢查,分析管道的總體情況。通過金相分析,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機械性能測試(拉伸測試和硬度測試)分析:腐蝕產物的裂紋和成分,以確定管道的機械性能是否下降。

    2 結果與分析

    2.1 管道概況

    對樣品進行宏觀檢查,防腐層整體完好,部分區域有破損。打磨防腐層后,未發現宏觀裂紋,如圖如圖1;且管壁無明顯腐蝕、變薄、變形現象??v向切割管道后,發現管道內壁附著黑色腐蝕產物,呈塊狀分布,說明輸送的氫氣中存在腐蝕介質。

    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。對樣品進行拋光和拋光后,用4% 的噴霧溶液對其進行蝕刻。金相組織見圖2-4。金相組織觀察參照GB/T 13298-1991 《金屬顯微組織檢驗方法》。

    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。結構均勻、精細。 304不銹鋼的正態殘余相顯微組織。

    從圖3中可以看出,焊縫周圍區域厚且不均勻,熱影響區形成條狀馬氏體,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,在焊縫區附近,黑色珠光體含量逐漸增加,晶粒變大,大晶粒的強度和硬度往往小于小晶粒的強度和硬度。同時,焊縫附近出現條狀馬氏體組織。馬氏體組織硬度高,韌性低,容易成為缺陷區。

    研究表明,顯微組織對應力腐蝕開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過充分調質。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,馬氏體組織出現在T和彎頭處的焊縫附近,容易誘發硫化物應力腐蝕開裂。

    2.3 力學性能

    2.3.1 拉伸試驗

    在304不銹鋼管和三通的不同位置共取12個拉伸試樣進行力學性能測試。拉伸試驗按GB/T228.1-2010 《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》試驗標準進行,圖5為試驗前三個拉伸試樣的宏觀形貌。拉伸試驗結果與標準值對比見表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,沒有45 斜截面。兩者都有脆性斷裂。兩個拉伸試樣均存在微裂紋。圖6c 樣品斷裂后,出現錐度,中間的纖維面積較大。根據表1的結果,管壁的總體力學性能符合標準,說明304不銹鋼管沒有發生材料劣化。

    2.3.2 硬度

    硬度測試在304 不銹鋼管、三通管和彎頭上進行。試件包括焊接熱影響區和非材料區。圖7 顯示了一些樣品的形態。試驗結果見表2。根據GB/T 3639-2009 《冷拔或冷軋精密無縫鋼管》,304不銹鋼管硬度參考值小于156HB。從表2中的數據可以看出,被測材料具有良好的韌性,材料沒有明顯劣化。

    2.4 內墻形態

    2.4.1 腐蝕產物

    通過電子能譜分析氫氣管道內壁腐蝕產物,確定腐蝕產物中各元素的含量。

    在含有水和硫化氫的環境中,碳鋼和低合金鋼會被濕H2S腐蝕,而濕H2S具有很強的腐蝕性。從圖8中可以看出,腐蝕產物附著在管內壁上,腐蝕產物主要是Fe的氧化物和硫化物,元素S的存在表明氫介質中含有硫化物等腐蝕介質。同時,FeS可以沉積在金屬表面形成保護膜,但膜的附著力差。在管內介質的擦洗作用下,腐蝕產物的薄膜從金屬表面剝離,金屬再次暴露在腐蝕介質中。此外,由于氫原子的滲透,管道還會發生局部應力腐蝕,屬于濕H2s損傷中的硫化物應力腐蝕開裂。 2.4.2 內壁裂紋及腐蝕形態

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

    圖10a 顯示了三通管匯合處的微觀形態。由于氣流的磨蝕作用,管道內壁出現局部腐蝕,有大量的凹坑和深凹坑。圖10bc 顯示了焊接區附近。焊縫區域存在多個平行裂紋,殘余應力會進一步促進焊縫擴散。

    圖11為彎頭內壁除銹后腐蝕形態。彎頭內壁有一定的沖刷腐蝕,裝配體呈均勻腐蝕。從圖11b可以看出,焊縫區與母材區之間存在裂紋。對比圖11c和d可以看出,在遠離焊縫區的管道內壁存在多條平行裂紋,說明管道內存在腐蝕介質,誘發應力腐蝕開裂。

    3 結論

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

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

    3)根據裂紋形態和腐蝕產物特征,304不銹鋼管開裂被認為是硫化物應力腐蝕引起的。


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