氫氣輸送304不銹鋼管開裂原因分析

發(fā)布時間：2021-08-13 09:09:03 丨 瀏覽次數(shù)：

氫氣是一種高度危險的氣體，不僅易燃易爆，而且具有一定的毒性，因此氫氣運輸?shù)陌踩砸恢眰涫荜P(guān)注。氫氣管與其他管道平行敷設(shè)時，一般敷設(shè)在外側(cè)，敷設(shè)在頂層：上，與其他加熱管的自由距離不應(yīng)小于250mm。由于氫氣具有點火能量低、與空氣和氧氣混合燃燒、爆炸極限寬、燃燒速度快等特點，在生產(chǎn)和使用過程中應(yīng)特別注意氫氣燃燒爆炸問題。一旦發(fā)生泄漏或火災(zāi)，后果不堪設(shè)想，損失不可估量。

本文所涉及的氫氣管道材料為常用的304不銹鋼管。詳細分析其開裂原因，可為同類管材的失效提供參考，防止日后使用中發(fā)生此類事故，具有重要意義。

1 次測試

所涉及的輸氫管道于1998年投入使用，鋪設(shè)于屋頂，外面有防腐層，不保溫，管道尺寸為219mm8mm，管道為304不銹鋼，管道內(nèi)介質(zhì)為為加氫原料氣，以氫氣為主，設(shè)計壓力4.8MPa，工作壓力3.2MPa，設(shè)計溫度50，溫度操作溫度正常，工況穩(wěn)定，壓力無明顯波動和溫度。在2015年的一次徹底檢查中，發(fā)現(xiàn)管道的許多部位都存在裂紋。截取有裂紋的直管、三通和彎頭進行裂紋分析。

通過宏觀檢查，分析管道的總體情況。通過金相分析，判斷管道顯微組織是否異常；使用掃描電子顯微鏡和電子能譜儀通過機械性能測試（拉伸測試和硬度測試）分析：腐蝕產(chǎn)物的裂紋和成分，以確定管道的機械性能是否下降。

2 結(jié)果與分析

2.1 管道概況

對樣品進行宏觀檢查，防腐層整體完好，部分區(qū)域有破損。打磨防腐層后，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋，如圖如圖1；且管壁無明顯腐蝕、變薄、變形現(xiàn)象。縱向切割管道后，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁附著黑色腐蝕產(chǎn)物，呈塊狀分布，說明輸送的氫氣中存在腐蝕介質(zhì)。

2.2 金相組織

分別從304不銹鋼管、T型管和彎頭上切下樣品，觀察金相組織。對樣品進行拋光和拋光后，用4% 的噴霧溶液對其進行蝕刻。金相組織見圖2-4。金相組織觀察參照GB/T 13298-1991 《金屬顯微組織檢驗方法》。

從圖2可以看出，304不銹鋼管壁基體主要由共析鐵素體和珠光體組成，灰色基體為等軸鐵素體，黑色塊體為片狀珠光體。結(jié)構(gòu)均勻、精細。 304不銹鋼的正態(tài)殘余相顯微組織。

從圖3中可以看出，焊縫周圍區(qū)域厚且不均勻，熱影響區(qū)形成條狀馬氏體，黑色珠光體呈帶狀，有聚集，灰色鐵素體分布均勻。

從圖4可以看出，在焊縫區(qū)附近，黑色珠光體含量逐漸增加，晶粒變大，大晶粒的強度和硬度往往小于小晶粒的強度和硬度。同時，焊縫附近出現(xiàn)條狀馬氏體組織。馬氏體組織硬度高，韌性低，容易成為缺陷區(qū)。

研究表明，顯微組織對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性按以下順序增加。鐵素體中的球形碳化物組織經(jīng)過充分調(diào)質(zhì)。組織正火，回火組織正火，消光后組織不回火。馬氏體組織。在上述金相組織分析中，馬氏體組織出現(xiàn)在T和彎頭處的焊縫附近，容易誘發(fā)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 拉伸試驗

在304不銹鋼管和三通的不同位置共取12個拉伸試樣進行力學(xué)性能測試。拉伸試驗按GB/T228.1-2010 《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》試驗標準進行，圖5為試驗前三個拉伸試樣的宏觀形貌。拉伸試驗結(jié)果與標準值對比見表1。

圖6 顯示了拉伸試樣斷裂后斷裂面的宏觀形貌。圖6a 和b 中樣品的分解日期并不明顯。圖6a 中的樣品斷裂日顯示了裂紋定義。圖6b 中樣品的橫截面是平坦的，沒有45 斜截面。兩者都有脆性斷裂。兩個拉伸試樣均存在微裂紋。圖6c 樣品斷裂后，出現(xiàn)錐度，中間的纖維面積較大。根據(jù)表1的結(jié)果，管壁的總體力學(xué)性能符合標準，說明304不銹鋼管沒有發(fā)生材料劣化。

2.3.2 硬度

硬度測試在304 不銹鋼管、三通管和彎頭上進行。試件包括焊接熱影響區(qū)和非材料區(qū)。圖7 顯示了一些樣品的形態(tài)。試驗結(jié)果見表2。根據(jù)GB/T 3639-2009 《冷拔或冷軋精密無縫鋼管》，304不銹鋼管硬度參考值小于156HB。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，被測材料具有良好的韌性，材料沒有明顯劣化。

2.4 內(nèi)墻形態(tài)

2.4.1 腐蝕產(chǎn)物

通過電子能譜分析氫氣管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物，確定腐蝕產(chǎn)物中各元素的含量。

在含有水和硫化氫的環(huán)境中，碳鋼和低合金鋼會被濕H2S腐蝕，而濕H2S具有很強的腐蝕性。從圖8中可以看出，腐蝕產(chǎn)物附著在管內(nèi)壁上，腐蝕產(chǎn)物主要是Fe的氧化物和硫化物，元素S的存在表明氫介質(zhì)中含有硫化物等腐蝕介質(zhì)。同時，F(xiàn)eS可以沉積在金屬表面形成保護膜，但膜的附著力差。在管內(nèi)介質(zhì)的擦洗作用下，腐蝕產(chǎn)物的薄膜從金屬表面剝離，金屬再次暴露在腐蝕介質(zhì)中。此外，由于氫原子的滲透，管道還會發(fā)生局部應(yīng)力腐蝕，屬于濕H2s損傷中的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。 2.4.2 內(nèi)壁裂紋及腐蝕形態(tài)

圖9為304不銹鋼管除銹后內(nèi)壁微觀腐蝕形貌。在圖9a-c中，可以看到管壁內(nèi)表面有裂紋，裂紋較深，在膨脹過程中出現(xiàn)分叉，是低腐蝕裂紋的典型特征，張力。在圖9d 中，內(nèi)壁有很多腐蝕坑。點蝕現(xiàn)象明顯，且腐蝕點蝕不斷變大、聚集，并有形成微裂紋的趨勢。

圖10a 顯示了三通管匯合處的微觀形態(tài)。由于氣流的磨蝕作用，管道內(nèi)壁出現(xiàn)局部腐蝕，有大量的凹坑和深凹坑。圖10bc 顯示了焊接區(qū)附近。焊縫區(qū)域存在多個平行裂紋，殘余應(yīng)力會進一步促進焊縫擴散。

圖11為彎頭內(nèi)壁除銹后腐蝕形態(tài)。彎頭內(nèi)壁有一定的沖刷腐蝕，裝配體呈均勻腐蝕。從圖11b可以看出，焊縫區(qū)與母材區(qū)之間存在裂紋。對比圖11c和d可以看出，在遠離焊縫區(qū)的管道內(nèi)壁存在多條平行裂紋，說明管道內(nèi)存在腐蝕介質(zhì)，誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論

1）304不銹鋼管力學(xué)性能滿足材料要求，基體顯微組織正常。焊縫區(qū)附近組織較厚，有少量馬氏體組織。

2）304不銹鋼管內(nèi)表面有明顯的腐蝕產(chǎn)物、裂紋和麻點，腐蝕產(chǎn)物中有明顯的S元素，推測氫輸送介質(zhì)中有硫化物。裂紋起源于管內(nèi)表面，主要分布在焊縫附近，少量分布在未焊區(qū)。

3）根據(jù)裂紋形態(tài)和腐蝕產(chǎn)物特征，304不銹鋼管開裂被認為是硫化物應(yīng)力腐蝕引起的。