波纹管开裂断裂原因分析

破裂、断裂、开裂原因分析

        由宏观形貌观察和化学成分分析结果可知：在波纹管裂纹周围未发现夹渣、气孔、疏松等冶金缺陷;波纹管的化学成分符合标准要求。奥氏体不锈钢的敏化温度区间为450~850℃, 在该温度范围内铬元素容易在晶界附近富集, 形成M23C6型碳化物, 从而导致晶界附近出现贫铬区, 使晶间的耐腐蚀能力急剧下降, 在腐蚀介质作用下产生晶间腐蚀。研究表明, Inconel 800合金退火温度在550~800℃范围内, 随退火温度的升高, 敏化度先上升后下降。失效波纹管的工作温度为500℃左右, 接近于敏化温度区间, 同时晶界处的析出物主要为富铬的M23C6型碳化物, 这符合"贫铬理论"。

        由裂纹和断口形貌的分析可知:波纹管裂纹的发生是晶间腐蚀和应力腐蚀联合作用的结果, 且优先发生晶间腐蚀;波纹管断口主要为沿晶断裂特征, 断口腐蚀产物中硫元素含量较高。在石化行业中, 连多硫酸环境容易引起设备产生应力腐蚀裂纹, 连多硫酸一般是加工含硫原油的装置在停工期间, 残留在设备中的含硫腐蚀产物与水和氧反应生成的。由连多硫酸引起的应力腐蚀裂纹呈沿晶特征, 并且波纹管的工作介质中含有烃类、水蒸气、一定量的含硫物质, 这就为连多硫酸的形成提供了条件, 因此该波纹管失效的原因为连多硫酸造成的应力腐蚀开裂。在连多硫酸介质中, 铬在晶界上富集而形成贫铬区后, 基体和晶界上的碳化铬之间所形成的微电池使贫铬区优先溶解, 从而发生晶间腐蚀。

        与普通的压力容器相比, 波纹管的工作状况更恶劣, 除了要承受工作温度、压力、介质的作用, 还会产生较大的变形。波纹管通过变形来提供管道补偿所需要的位移, 位移导致波纹管产生较高的轴向应力和弯曲应力, 使得裂纹以横向裂纹为主, 并存在一些与横向裂纹呈一定角度的斜裂纹。在很多情况下, 波纹管还会受到机械振动以及管道内介质流动时所引起的振动作用, 同时管道、介质、保温材料的自重作用会引起波纹管产生一定的弯矩, 因此波纹管在工作时的应力状态十分复杂。由此可知, 晶间腐蚀所产生的微裂纹为裂纹源, 在应力作用下, 微裂纹扩展并导致应力腐蚀裂纹的形成。

        此外, 波纹管组织的晶粒比较粗大, 对材料的性能会产生不利的影响, 同时晶界的强度也急剧下降。因此, 在应力和腐蚀介质的共同作用下, 晶粒粗大将增大晶间腐蚀倾向, 并加速裂纹的扩展。

结论与措施

(1) 波纹管裂纹产生的主要原因是由于波纹管在使用过程中发生敏化现象, 并处于停工期间所产生的连多硫酸介质中, 沿晶界析出M23C6型碳化物, 铬在晶界上富集并形成贫铬区, 从而产生晶间腐蚀, 所产生的晶间微裂纹为裂纹源;在应力作用下, 微裂纹扩展并导致应力腐蚀裂纹的形成。

(2) 建议提高该波纹管的工作温度, 避开敏化温度区间, 减少铬在晶界上的聚集;停工期间保持设备干燥, 控制氧含量, 避免连多硫酸腐蚀环境的产生。