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常见问题

波纹管补偿器保温钉断裂原因分析

发布时间:2017-03-09

波纹管补偿器是用作补偿设备和管道的热膨胀的管件,广泛应用于石油化工等各个行业。在炼油厂的催化裂化装置中,波纹管补偿器主要应用于高温和高速空气管线部位、含反应产物的易生焦部位、高温含微量催化剂的高速烟气部位以及高温含高浓度催化剂和烟气的低速部位

大连石化公司140t/a重油催化裂化二再出口膨胀节在第六周运行中出现失效泄漏,虽进行堵漏处理但为保证装置长周期运行需要,在装置停检期间对该膨胀节进行了整体更换。

按照图样设计要求,新制造的膨胀节内壁需涂抹隔热和耐磨衬里,因此保温层需要用保温钉固定,在保温钉施焊后采取敲打弯曲进行质量验收时,与膨胀节内壁焊接连接的保温钉屡次出现沿热影响区部位断裂的现象,既影响了施工进度,又对膨胀节的安全使用带来重大隐患。从宏观断口形貌和微观组织成分变化两个方面对保温钉断裂的原因进行了综合分析

波纹管补偿器参数及性能

本次更换的不锈钢波纹管为单式铰链型膨胀节,主要吸收铰链板间的轴向位移和单一平面的角位移,膨胀节的盲板力由铰链板、铰链轴等附件吸收(不外传),角位移引起的波纹管弹性返力外传膨胀节的主体材质为Incone1625,厚度为2.5mm,其型号为L8208-402/1-7*7,公称通径1500mm,最大外径2007mm,总厂1400mm,设计压力0.25MPa,介质温度700℃

保温钉断裂原因分析

按照图样设计,膨胀节内壁焊接柱型保温钉(φ12mm*130mm),材质为0Crl3,其耐蚀性优于含碳量高的lCrl32Crl33Crl34Crl3马氏体不锈钢。铁素体不锈钢是指铬的质量分数为12%-30%、微观结构为体心立方晶体结构、在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢,在世界不锈钢总产量中30%左右。铁素体不锈钢具有成本低、热膨胀系数低、抗高温氧化性能和耐应力腐蚀性能良好等优点,主要缺点是脆性大。铁素体不锈钢主要脆性有晶粒粗大脆性、σ相析出脆性、475℃脆性和高温脆性4

保温钉与膨胀节内壁焊接要牢靠,且与内壁垂直。膨胀节内壁焊接的保温钉见图1

宏观形貌

为准确分析保温钉断裂的原因,共选取了4个具有代表性的保温钉进行对比分析,其中2个断裂保温钉,2个与断裂同批的保温钉。分析时,对2个断裂的(断口形貌见图2)保温钉记为1#2#1个与断裂保温钉同批次的保温钉记为3#(经过退化处理),1个前期合格的保温钉记为4#

从图2可以看出,断裂保温钉的断口基本上位于与膨胀节焊接的焊接热影响区,保温钉断口晶粒非常粗大,断口为脆性特征的萘状断口。出现萘状断口则是保温钉本身材质质量欠佳或焊接过程中温度过高而导致奥氏体晶粒长大所致。

组织分析 断裂保温钉微观组织分析

断裂保温钉的微观组织形貌见图3-6.

从图3中可以看出,1#断裂保温钉的基体组织为不锈钢的正常铁素体组织。图4为断口附近的剖面微观组织,从中可以明显发现在断口附近的焊接热影响区成了粗大的等轴晶粒,与基体组织(图3)中轧制的细长晶粒相比,断口附近的晶粒长大非常明显(图6),而且组织出现已严重脆化。在此种情况下对保温钉进行敲击来检验焊接质量时,组织严重脆化部位首先出现微裂纹(图5),继而导致整体出现断裂。

断裂保温钉微观组织分析      断裂保温钉的微观组织见图图7-8.

从图7中可以看出,在保温钉焊接热影响区晶界处可以发现有明显的碳化物析出,而且在部分晶界析出类马氏体脆性相,导致了基体组织劣化,脆性成分显著增加,而且存在明显的裂纹,在外力的敲击作用下极易出现断裂。

相对于图6而言,从图8可以更加清洗的发现,在断口附近的热影响区已经生成了粗大的等轴晶粒,与原始基体组织的轧制的细长晶粒相比,晶粒长大得非常明显,组织脆化严重,同样是遇敲击检验时出现断裂的原因之一。

3# 未焊经退火保温钉微观组织分析   93#样品的基体组织微观形貌。

通过对图9的观察可以发现,3#保温钉的基体组织为回火后的铁素体不锈钢组织,且在基体组织个别晶界部位有明显的碳化物析出,因此经退火处理后的保温钉脆性显著增加,遇敲击检验时其出现断裂风险已明显增大。

4# 未焊保温钉微观组织分析  104#样品的基体组织微观形貌

通过观察4#样品的基体组织,可以发现其基体组织为正常铁素体不锈钢轧制态组织。

保温钉断裂原因

晶粒粗大导致的脆性  由于铁素体不锈钢在超过900℃加热条件下,晶粒很容易长达,温度越高,保温时间越长,晶粒长大越明显,导致钢的冷脆性大,冷脆转变温度高,室温冲击韧性显著降低。铁素体不锈钢晶粒粗大组织不能通过热处理消除,只能通过压力加工碎化,因此这类铁素体不锈钢锻轧温度都控制在750℃以下。由于铁素体不锈钢的焊接性能较差,因此在焊接铁素体不锈钢材质保温钉时应制定好合理的焊接工艺,如采取尽可能小的焊接电流,并可以采取多道次间接焊接的方法,尽量降低焊接热影响过热的可能性,将铁素体不锈钢由于晶粒粗大而产生脆性危害降低,保证了保温钉的焊接质量。

高温脆性    铁素体不锈钢加热900-1100℃以上,冷却至室温会出现严重脆化,抗蚀性能也大大降低,称为高温脆性。在焊接过程中,如果焊接电流过大,就会导致焊接热影响区温度过高,其结果不仅使热影响区晶粒长大,还引起影响区的高温脆性。产生高温脆性的主要原因:铁素体不锈钢总是存在着CN等元素和杂质,冷却时会在晶界处或位错处析出高Cr碳化物和氮化物引起脆性。 高温时CN在晶界吸附,使晶界区稳定奥氏体元素浓度增高,形成一层包围铁素体晶粒的奥氏体层,在冷却时转变为马氏体而造成脆性。鉴于铁素体不锈钢的高温脆性,保温钉材质可以采用焊接性能更好的304oCrl9Ni9)奥氏体不锈钢,避免保温钉出现焊接后的脆性断裂问题。

结语

大连石化公司140t/a重油催化裂化二再出口新更换的膨胀节内壁焊接的保温钉在热影响区发生断裂的原因是施焊后焊接热影响区晶粒粗大和高温脆性所致。为避免上述情况的出现,可采取以下措施:

焊接时可采用小电流、多道次间隔焊接。考虑到保温钉承受的载荷并不大,保温钉和膨胀节的焊点不宜过于饱满。

保温钉材质可以采用焊接性能更好的304奥氏体不锈钢。304不锈钢可焊性、耐蚀性、高温抗氧化性能更好,其高温强度同样能满足使用要求。