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常見問題

波紋管補償器保溫釘斷裂原因分析

發布時間:2017-03-09

波紋管補償器是用作補償設備和管道的熱膨脹的管件,廣泛應用于石油化工等各個行業。在煉油廠的催化裂化裝置中,波紋管補償器主要應用于高溫和高速空氣管線部位、含反應產物的易生焦部位、高溫含微量催化劑的高速煙氣部位以及高溫含高濃度催化劑和煙氣的低速部位

大連石化公司140t/a重油催化裂化二再出口膨脹節在第六周運行中出現失效泄漏,雖進行堵漏處理但為保證裝置長周期運行需要,在裝置停檢期間對該膨脹節進行了整體更換。

按照圖樣設計要求,新制造的膨脹節內壁需涂抹隔熱和耐磨襯里,因此保溫層需要用保溫釘固定,在保溫釘施焊后采取敲打彎曲進行質量驗收時,與膨脹節內壁焊接連接的保溫釘屢次出現沿熱影響區部位斷裂的現象,既影響了施工進度,又對膨脹節的安全使用帶來重大隱患。從宏觀斷口形貌和微觀組織成分變化兩個方面對保溫釘斷裂的原因進行了綜合分析

波紋管補償器參數及性能

本次更換的不銹鋼波紋管為單式鉸鏈型膨脹節,主要吸收鉸鏈板間的軸向位移和單一平面的角位移,膨脹節的盲板力由鉸鏈板、鉸鏈軸等附件吸收(不外傳),角位移引起的波紋管彈性返力外傳膨脹節的主體材質為Incone1625,厚度為2.5mm,其型號為L8208-402/1-7*7,公稱通徑1500mm,最大外徑2007mm,總廠1400mm,設計壓力0.25MPa,介質溫度700℃

保溫釘斷裂原因分析

按照圖樣設計,膨脹節內壁焊接柱型保溫釘(φ12mm*130mm),材質為0Crl3,其耐蝕性優于含碳量高的lCrl3、2Crl3、3Crl34Crl3馬氏體不銹鋼。鐵素體不銹鋼是指鉻的質量分數為12%-30%、微觀結構為體心立方晶體結構、在使用狀態下以鐵素體組織為主的不銹鋼,在世界不銹鋼總產量中30%左右。鐵素體不銹鋼具有成本低、熱膨脹系數低、抗高溫氧化性能和耐應力腐蝕性能良好等優點,主要缺點是脆性大。鐵素體不銹鋼主要脆性有晶粒粗大脆性、σ相析出脆性、475℃脆性和高溫脆性4

保溫釘與膨脹節內壁焊接要牢靠,且與內壁垂直。膨脹節內壁焊接的保溫釘見圖1

宏觀形貌

為準確分析保溫釘斷裂的原因,共選取了4個具有代表性的保溫釘進行對比分析,其中2個斷裂保溫釘,2個與斷裂同批的保溫釘。分析時,對2個斷裂的(斷口形貌見圖2)保溫釘記為1#2#,1個與斷裂保溫釘同批次的保溫釘記為3#(經過退化處理),1個前期合格的保溫釘記為4#。

從圖2可以看出,斷裂保溫釘的斷口基本上位于與膨脹節焊接的焊接熱影響區,保溫釘斷口晶粒非常粗大,斷口為脆性特征的萘狀斷口。出現萘狀斷口則是保溫釘本身材質質量欠佳或焊接過程中溫度過高而導致奧氏體晶粒長大所致。

組織分析 斷裂保溫釘微觀組織分析

斷裂保溫釘的微觀組織形貌見圖3-6.

從圖3中可以看出,1#斷裂保溫釘的基體組織為不銹鋼的正常鐵素體組織。圖4為斷口附近的剖面微觀組織,從中可以明顯發現在斷口附近的焊接熱影響區成了粗大的等軸晶粒,與基體組織(圖3)中軋制的細長晶粒相比,斷口附近的晶粒長大非常明顯(圖6),而且組織出現已嚴重脆化。在此種情況下對保溫釘進行敲擊來檢驗焊接質量時,組織嚴重脆化部位首先出現微裂紋(圖5),繼而導致整體出現斷裂。

斷裂保溫釘微觀組織分析      斷裂保溫釘的微觀組織見圖圖7-8.

從圖7中可以看出,在保溫釘焊接熱影響區晶界處可以發現有明顯的碳化物析出,而且在部分晶界析出類馬氏體脆性相,導致了基體組織劣化,脆性成分顯著增加,而且存在明顯的裂紋,在外力的敲擊作用下極易出現斷裂。

相對于圖6而言,從圖8可以更加清洗的發現,在斷口附近的熱影響區已經生成了粗大的等軸晶粒,與原始基體組織的軋制的細長晶粒相比,晶粒長大得非常明顯,組織脆化嚴重,同樣是遇敲擊檢驗時出現斷裂的原因之一。

3# 未焊經退火保溫釘微觀組織分析   93#樣品的基體組織微觀形貌。

通過對圖9的觀察可以發現,3#保溫釘的基體組織為回火后的鐵素體不銹鋼組織,且在基體組織個別晶界部位有明顯的碳化物析出,因此經退火處理后的保溫釘脆性顯著增加,遇敲擊檢驗時其出現斷裂風險已明顯增大。

4# 未焊保溫釘微觀組織分析  104#樣品的基體組織微觀形貌

通過觀察4#樣品的基體組織,可以發現其基體組織為正常鐵素體不銹鋼軋制態組織。

保溫釘斷裂原因

晶粒粗大導致的脆性  由于鐵素體不銹鋼在超過900℃加熱條件下,晶粒很容易長達,溫度越高,保溫時間越長,晶粒長大越明顯,導致鋼的冷脆性大,冷脆轉變溫度高,室溫沖擊韌性顯著降低。鐵素體不銹鋼晶粒粗大組織不能通過熱處理消除,只能通過壓力加工碎化,因此這類鐵素體不銹鋼鍛軋溫度都控制在750℃以下。由于鐵素體不銹鋼的焊接性能較差,因此在焊接鐵素體不銹鋼材質保溫釘時應制定好合理的焊接工藝,如采取盡可能小的焊接電流,并可以采取多道次間接焊接的方法,盡量降低焊接熱影響過熱的可能性,將鐵素體不銹鋼由于晶粒粗大而產生脆性危害降低,保證了保溫釘的焊接質量。

高溫脆性    鐵素體不銹鋼加熱900-1100℃以上,冷卻至室溫會出現嚴重脆化,抗蝕性能也大大降低,稱為高溫脆性。在焊接過程中,如果焊接電流過大,就會導致焊接熱影響區溫度過高,其結果不僅使熱影響區晶粒長大,還引起影響區的高溫脆性。產生高溫脆性的主要原因:鐵素體不銹鋼總是存在著C、N等元素和雜質,冷卻時會在晶界處或位錯處析出高Cr碳化物和氮化物引起脆性。 高溫時C、N在晶界吸附,使晶界區穩定奧氏體元素濃度增高,形成一層包圍鐵素體晶粒的奧氏體層,在冷卻時轉變為馬氏體而造成脆性。鑒于鐵素體不銹鋼的高溫脆性,保溫釘材質可以采用焊接性能更好的304oCrl9Ni9)奧氏體不銹鋼,避免保溫釘出現焊接后的脆性斷裂問題。

結語

大連石化公司140t/a重油催化裂化二再出口新更換的膨脹節內壁焊接的保溫釘在熱影響區發生斷裂的原因是施焊后焊接熱影響區晶粒粗大和高溫脆性所致。為避免上述情況的出現,可采取以下措施:

焊接時可采用小電流、多道次間隔焊接??紤]到保溫釘承受的載荷并不大,保溫釘和膨脹節的焊點不宜過于飽滿。

保溫釘材質可以采用焊接性能更好的304奧氏體不銹鋼。304不銹鋼可焊性、耐蝕性、高溫抗氧化性能更好,其高溫強度同樣能滿足使用要求。

 

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