波紋管開裂斷裂原因分析

破裂、斷裂、開裂原因分析

        由宏觀形貌觀察和化學成分分析結果可知：在波紋管裂紋周圍未發現夾渣、氣孔、疏松等冶金缺陷;波紋管的化學成分符合標準要求。奧氏體不銹鋼的敏化溫度區間為450~850℃, 在該溫度范圍內鉻元素容易在晶界附近富集, 形成M23C6型碳化物, 從而導致晶界附近出現貧鉻區, 使晶間的耐腐蝕能力急劇下降, 在腐蝕介質作用下產生晶間腐蝕。研究表明, Inconel 800合金退火溫度在550~800℃范圍內, 隨退火溫度的升高, 敏化度先上升后下降。失效波紋管的工作溫度為500℃左右, 接近于敏化溫度區間, 同時晶界處的析出物主要為富鉻的M23C6型碳化物, 這符合"貧鉻理論"。

        由裂紋和斷口形貌的分析可知:波紋管裂紋的發生是晶間腐蝕和應力腐蝕聯合作用的結果, 且優先發生晶間腐蝕;波紋管斷口主要為沿晶斷裂特征, 斷口腐蝕產物中硫元素含量較高。在石化行業中, 連多硫酸環境容易引起設備產生應力腐蝕裂紋, 連多硫酸一般是加工含硫原油的裝置在停工期間, 殘留在設備中的含硫腐蝕產物與水和氧反應生成的。由連多硫酸引起的應力腐蝕裂紋呈沿晶特征, 并且波紋管的工作介質中含有烴類、水蒸氣、一定量的含硫物質, 這就為連多硫酸的形成提供了條件, 因此該波紋管失效的原因為連多硫酸造成的應力腐蝕開裂。在連多硫酸介質中, 鉻在晶界上富集而形成貧鉻區后, 基體和晶界上的碳化鉻之間所形成的微電池使貧鉻區優先溶解, 從而發生晶間腐蝕。

        與普通的壓力容器相比, 波紋管的工作狀況更惡劣, 除了要承受工作溫度、壓力、介質的作用, 還會產生較大的變形。波紋管通過變形來提供管道補償所需要的位移, 位移導致波紋管產生較高的軸向應力和彎曲應力, 使得裂紋以橫向裂紋為主, 并存在一些與橫向裂紋呈一定角度的斜裂紋。在很多情況下, 波紋管還會受到機械振動以及管道內介質流動時所引起的振動作用, 同時管道、介質、保溫材料的自重作用會引起波紋管產生一定的彎矩, 因此波紋管在工作時的應力狀態十分復雜。由此可知, 晶間腐蝕所產生的微裂紋為裂紋源, 在應力作用下, 微裂紋擴展并導致應力腐蝕裂紋的形成。

        此外, 波紋管組織的晶粒比較粗大, 對材料的性能會產生不利的影響, 同時晶界的強度也急劇下降。因此, 在應力和腐蝕介質的共同作用下, 晶粒粗大將增大晶間腐蝕傾向, 并加速裂紋的擴展。

結論與措施

(1) 波紋管裂紋產生的主要原因是由于波紋管在使用過程中發生敏化現象, 并處于停工期間所產生的連多硫酸介質中, 沿晶界析出M23C6型碳化物, 鉻在晶界上富集并形成貧鉻區, 從而產生晶間腐蝕, 所產生的晶間微裂紋為裂紋源;在應力作用下, 微裂紋擴展并導致應力腐蝕裂紋的形成。

(2) 建議提高該波紋管的工作溫度, 避開敏化溫度區間, 減少鉻在晶界上的聚集;停工期間保持設備干燥, 控制氧含量, 避免連多硫酸腐蝕環境的產生。