D210塔筒体中泄漏原因分析检测方案(金相显微镜)

D210塔筒体泄漏原因分析 钱耀洲，游 菊 （上海市特种设备监督检验技术研究院，上海200062） 摘要：采用化学成分分析、金相检验和断口分析等方法，对304L钢D210塔筒体泄漏原因进行了分析。结果表明：D210塔筒体泄漏原因是由于氯离子的存在而产生应力腐蚀开裂所致。由于敏感材料、应力腐蚀环境及应力三个条件共同存在，在一定温度下使其产生应力腐蚀裂纹，裂纹起始于筒体外壁角焊缝处，而后向内壁扩展，最终穿透筒壁，致使该塔筒体在角焊缝处产生破裂泄漏。 关键词：筒体；应力腐蚀开裂；氯离子；泄漏 某化工企业的D210塔于1999年12月底经验收合格投入使用，运行至2009年2月中旬发现在塔体第三层平台的保温支承圈上部出现泄漏现象。停运后拆卸外部保温材料经检查发现，泄漏部位在塔体内侧塔圈支承圈的下部的筋板与筒体连接的角焊缝处；外侧处在保温支承圈的上部，梯子联结板与筒体联结的角焊缝处（图1）。针对上述情况，使用单位召集相关单位共同商讨该塔的修理事宜。作为该设备修理的监检人员，笔者提议在进行修理前应查明该设备的泄漏原因，以便制定合理的返修方案。 该塔材质为304L钢，规格为φ4 180mm×8（10，12）mm×18700mm，容积为220m3,工作介质为某种溶液与空气的混合体，工作压力为0.3MPa，工作温度为90℃。具体的理化检验与分析过程介绍如下。 1 理化检验 1.1 化学成分分析 在泄漏处附近的筒体上取样进行化学成分分析，其结果见表1，可见该泄漏筒体材质的化学成分符合ASMEⅡ-ASA-240标准对304L钢的技术要求。 1.2 金相检验 在筒体泄漏处截取横向试样，经镶嵌、磨制、抛光及王水侵蚀后，在光学显微镜下观察到呈树枝状分布的裂纹，裂纹均起始于筒体外壁焊缝处，并向内部呈穿晶状扩展，见图2和3.筒体显微组织主要为奥氏体及δ铁素体，见图4. 1.3 断口分析 用人工方法将裂纹打开制取断口，打开后发现其大部分断口上腐蚀产物呈深褐色，表面较粗糙，为脆性断口；小部分断口为被撕开的新鲜断口，由此可见裂纹即将穿透筒壁。 用扫描电镜观察断口形貌，在腐蚀断口上可观察到龟裂泥状花样（图5）、扇形及解理花样以及二次裂纹（图6）；在人工撕开的新断口上可观察到韧窝花样（图7）。 对腐蚀断口上的腐蚀产物做X射线能谱分析，结果见表2，可见除不锈钢中的主要合金元素外，还检测到氧、氯和硫等 ；在人工撕开的新断口上做X射线能谱分析，仅检测到五种元素，其分析结果也列于表2. 2 分析与讨论 由金相检验观察到的呈树枝状分布的穿晶裂纹为典型的应力腐蚀裂纹；由断口分析观察到得腐蚀断口上的龟裂泥状花样、扇形及解理花样以及二次裂纹，均为应力腐蚀断口的典型特征。另外还可看出腐蚀断口与人工撕开断口的典型特征。另外还可看出腐蚀断口与人工撕开断口在扫描电镜中的形貌截然不同，腐蚀断口为穿晶脆性断口，其上有腐蚀产物；而人工撕开断口为韧性断口。X射线能谱分析腐蚀断口上氯元素含量达2.38%，表明应力腐蚀是由氯离子引起的；而在人工撕开断口上没有发现氯元素。 应力腐蚀开裂是在一定温度下受腐蚀介质和拉应力共同作用下所导致的腐蚀开裂现象，它与单纯由应力造成的破坏不同，而是在较低的应力水平就可产生破坏；它与单纯由腐蚀引起的破坏也不同，在腐蚀性较弱的介质中就会产生应力腐蚀，所以应力腐蚀所产生的裂纹及断口形貌都有其一定的特征。但应力腐蚀只有在某种金属与介质的一定组合情况下才能发生，不同的金属产生应力腐蚀的介质不同，也就是说产生应力的腐蚀的一个主要条件是特定的腐蚀介质，而镍铬奥氏体不锈钢在含氯离子介质中对应力腐蚀比较敏感，该塔体采用了304L不锈钢，故具备了产生应力腐蚀的材料因素。有统计数据表明，在奥氏体不锈钢应力腐蚀事故中，含氯离子介质所引起的应力腐蚀占大多数，对于奥氏体不锈钢而言，当壁温高于30℃，在含一定浓度氯离子的环境中就可以产生应力腐蚀；当温度高于40℃时，仅需每升几毫克的氯离子浓度便可引起应力腐蚀；在50℃以上含氯离子水溶液中则特别容易产生应力腐蚀，也就是氯离子浓度越大，温度越高，应力腐蚀就越容易产生。该塔工作温度为90℃，正是容易产生应力腐蚀的温度。 而能谱分析结果表明了腐蚀断口上有氯离子存在，从而也说明了该塔的筒体 应力腐蚀是由氯离子引起的，根据筒体裂纹起始于外壁焊缝处，因此可断定引起腐蚀作用的氯离子必定来自于外壁的保温层。在正常情况下保温层应该是干燥的，但该塔置于露天，经常淋到雨水，该塔外侧局部有保湿层，保温材料为岩棉，大量雨水滞留在支承环的保温材料内，导致在支承圈处的保温层受潮；另外由于周边有大量化工企业，雨水中含有偏多的氯离子，使用单位提供的消防水池中的水质分析报告显示氯离子含量达70～80mg/L，从而使氯离子在设备支承圈处集聚。在设备被加热的过程中使得集聚在保温层中的氯离子浓度不断升高，致使该塔筒体具备了产生应力腐蚀的腐蚀环境。 该塔筒体泄漏部位处于角焊缝处，焊后常有较大的残余应力，在运行过程中也有一定的工作应力，因此两种应力叠加，使其具备了应力腐蚀的应力条件。由此可以判定该塔筒体发生泄漏是由于产生了应力腐蚀开裂所致。 3 结论及建议 （1）该塔筒体所出现的裂纹性质为典型的应力腐蚀裂纹。由于敏感的材料、应力腐蚀环境及应力三个条件共同存在，在一定的温度下最终使其产生应力腐蚀裂纹，裂纹起始于筒体外壁角焊缝处，尔后向内壁扩展，直至穿透筒壁，最终导致该塔筒体产生破裂泄漏现象。 （2）建议改变保温层的结构或采用其他保温材料，并确定保温层干燥。在该塔带保温层的筒体部位涂刷防腐油漆。 （3）加强运行管理，切实做好设备的巡检工作。在定期检验时，应对保温层结合处、保温层的破损部位及应力集中部位进行重点检查。 采用化学成分分析、金相检验和断口分析等方法，对304L钢D210塔筒体泄漏原因进行了分析。结果表明：D210塔筒体泄漏原因是由于氯离子的存在而产生应力腐蚀开裂所致。由于敏感材料、应力腐蚀环境及应力三个条件共同存在，在一定温度下使其产生应力腐蚀裂纹，裂纹起始于筒体外壁角焊缝处，而后向内壁扩展，最终穿透筒壁，致使该塔筒体在角焊缝处产生破裂泄漏。