奥氏体不锈钢容器开裂原因分析及预防措施

杜立剑，南 斌，李 祚

中国石油长庆油田分公司技术监测中心 （陕西 西安 710018）

1 容器基本概况

1.1 吸收氧化反应器简介

2014年4月对中国石油长庆油田分公司采气一厂净化厂硫磺回收装置中的吸收氧化反应器进行定期检验（图1）。吸收氧化反应器是硫磺回收装置中的核心设备，主要作用是将含有H2S的酸气进行氧化还原反应，生产固态硫[1]。

图1 硫磺回收装置

1.2 容器基本资料

材质：奥氏体不锈钢S30403(00Cr19Ni10)；

工作介质：酸性气体、化学药剂、硫磺、水；

工作温度：45～60℃；

工作压力：0.2～0.5MPa；

公称壁厚：8.0mm；

容器内径：Φ8300mm×Φ6850mm；

制造日期：2011年10月；

投用日期：2012年4月；

容器类别：Ⅱ类。

1.3 开裂情况

该容器的此次检验，属于按检验规则进行的首次全面检验，检验前设备运行正常，未出现过异常情况。针对该容器的材质和介质易产生裂纹的特点，重点对焊缝及热影响区进行了渗透检测，发现容器筒体对接焊缝热影响区及容器内隔板与筒体连接的角焊缝热影响区存在大量裂纹（图2），裂纹长度15～80mm不等，裂纹呈直线状，裂纹端部形成尖锐缺口，并从表面向内部扩展，大部分裂纹深2～4mm；筒体对接焊缝热影响区有两裂纹近乎穿透金属母材（图3），容器开裂情况相当严重。

图2 角焊缝

图3 对接焊缝

2 原因分析

该容器长期处于高温高压且富含硫化物的酸性环境中，所选用的奥氏体不锈钢具有良好的力学性能和工艺性能，且具有优良的耐腐蚀性。但奥氏体不锈钢容器，由于其特殊的晶体结构，具有很高的应力腐蚀敏感性，具体分析如下：

1）应力是应力腐蚀开裂的重要因素。奥氏体钢由于导热性差和线膨胀系数大，在约束焊接变形时由于焊缝金属的收缩和周围金属的牵制所造成的残余拉应力高达210～280MPa。而引起奥氏体钢滑移的应力水平大约为0.2～0.3MPa，即可能产生应力腐蚀破裂[2-3]。

2）材料是应力腐蚀开裂的主要因素。奥氏体不锈钢在焊接时焊缝和热影响区在升降温的过程中难以避开敏化温度，使不锈钢中的C与Cr反应生成Cr23C6并析出，因此在焊接接头金属的晶间容易出现贫铬区。而铬含量是确保不锈钢抗腐蚀性的重要指标，由于这种贫铬使晶间不能抵抗某些介质的侵蚀，贫铬区往往优先发生晶间腐蚀[4]。

3）介质环境是应力腐蚀开裂的敏感因素。奥氏体不锈钢容器在高温硫化环境下，会在表面发生反应形成FeS，当容器表面降温或冷却到室温时，FeS与空气中的O2和H2O继续反应，生成连多硫酸（H2SXO6，X=3、4、5）。 其化学方程式如下：

该奥氏体不锈钢容器在连多硫酸和残余应力共同作用下发生沿晶应力腐蚀开裂。此应力腐蚀开裂的机理是贫铬区阳极溶解，阴极反应是由连多硫酸的还原而引起的。由于开裂首先是借助亚硫酸产生晶间腐蚀，因而常发生在受到敏化作用的焊接热影响区[5]。

3 预防措施

在容器正常运行时，由于是封闭的，不易发生这种开裂。而当容器停产以后被打开，含水和氧气的空气进入容器内，才达到反应的条件。因此为了预防此类腐蚀开裂的产生，建议如下：

1）使用含Ti、Nb等稳定元素的奥氏体不锈钢材料，以预防贫铬区的产生。

2）容器在停用后，应尽量与空气隔绝。若容器不打开，必须向里面填充惰性气体；若容器打开，则需要先用碱性溶液除去表面的硫化物，然后用水冲洗。

3）采用机械方法锤击消除由焊接和加工引起的残余应力。

对奥氏体不锈钢容器来说，除了要防止硫化物应力腐蚀开裂外，还需要注意由于介质中的微量盐分引起的氯化物应力腐蚀开裂和残留碱引起的苛性碱应力腐蚀开裂。

[1]强天鹏.压力容器检验[M].北京：新华出版社，2008.

[2]王晓雷.承压类特种设备无损检测相关知识[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.

[3]GB 150-2011压力容器[S]

[4]TSG R7001-2013压力容器定期检验规则[S]

[5]TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程[S]