热处理对复合板容器S22053锻件制接管性能的影响分析

李亚军，刘绍东，童 根， 宋晓俊，柳 楠，宋文明，卢雪梅

(1.中国石油天然气集团有限公司 塔里木油田分公司，新疆库尔勒 841000；2.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司，上海 201518)

0 引言

碳钢+不锈钢复合板材料，因其兼具碳钢的经济性和不锈钢的耐腐蚀性能，广泛应用于石油石化工业领域[1-4]。S22053因其优于铁素体不锈钢的屈服强度、优于奥氏体不锈钢的抗疲劳强度和抗腐蚀性能，作为耐蚀覆层在压力容器中的应用发展快速，但需要关注焊后消除应力热处理导致S22053材料性能下降问题[5-6]。针对一台压力容器在检验中发现的腐蚀、开裂失效现象，通过金相组织、化学成分、力学性能、断口形貌、模拟试验等方法，对失效元件腐蚀、开裂原因进行分析，对现场相同制造工艺的设备进行金相复查，进一步验证碳钢焊后消除应力热处理对S22053材料的影响，并提出合理的建议，为其在石油化工领域的应用提供参考。

1 失效设备基本情况

失效设备位于西部某天然气处理厂，是一台集气汇管，失效部位为排污接管，汇集了东、西干线来气并分配至6套脱水脱烃处理装置，是处理站的关键设备。汇管筒体厚度(60+4) mm，设计压力14 MPa，运行压力9.5～11 MPa，容器材料为16MnR+S22053，尺寸为DN1200×15867 mm，接管材料为S22053 Ⅲ锻件，接触介质为湿天然气(游离水近500 t/d，但限于取样条件，仅对天然气进行了化验)，具体组分见表1。

表1 介质组分

该设备于2004年投入使用，2021年容器开罐检验时发现集气汇管下部排污口接管存在腐蚀坑，失效接管位置见图1。

图1 失效部位示意

2 失效件取样分析

2.1 宏观检验与无损检测

截取失效接管，取样进行失效原因分析。经宏观检查，腐蚀坑位于接管端面(与汇管内介质接触)，经打磨、渗透检测后，发现裂纹位于腐蚀坑底部，沿接管径向分布，轴向扩展，自内端面向下扩展深度约30 mm。接管外壁未发现表面裂纹，为节约成本，现场制定了打磨、消除裂纹+补焊的修复方案，但在打磨过程中发现裂纹沿接管管壁中部向下扩展，打磨深度至40 mm裂纹仍未消除，从管壁表面无法判断裂纹扩展深度，故进行了解剖失效分析，失效部位形貌见图2。

2.2 化学成分分析

对该送检样品进行化学成分分析，结果见表2。失效接管化学成分符合NB/T 47010—2017《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》中S22053的要求。

怀疑论者无法保持思想与行动的一致性，必然陷入矛盾。对此，马克思和恩格斯曾在《德意志意识形态》中诊断说：“怀疑论派把人们对事物的理论关系归结为假象，而在实践中让一切保持原状，同时他们顺应这种假象完全像别的人顺应现实一样。”[53]观想的态度和普遍的怀疑不是健康的人实际可以抱持的态度，仅是形而上学的思辨造就的幻想。怀疑论者在面对生活实践时，都自觉地转变成了坚定的可知论者。他们饥饿时毫不迟疑地扑向食物，遇到严寒则不假思索地穿上棉衣，如此等等。此时，他们知道自己与之打交道的不是任何心灵幻影、假象、印象或图像，而是货真价实的外部事物。

设备的其他接管未发现腐蚀开裂现象，但板材覆层投入使用以后，出现大量的点蚀问题，采用打磨加镍基625合金覆盖修复后，才得以遏制点蚀问题。

图2 失效部位形貌

表2 化学成分分析

2.3 金相组织分析

接管上截取试样进行显微组织分析，在抛光态下观察，组织中存在块状夹杂物，且块状夹杂物内部组织呈碎块状、深灰色，边缘不光滑、存在尖角及裂纹(见图3(a)(b))，经评定，接管非金属夹杂物级别为D3级，夹杂物超标；材料内部还存在独立裂纹，裂纹沿细小析出相扩展，见图3(c)。接管显微组织为铁素体+奥氏体，奥氏体含量约42%，两相比例正常，但铁素体相内出现了黑色颗粒状析出相和晶界，见图3(d)；经扫描电镜观察，相边界为波浪状，局部晶界存在颗粒状析出相，析出相宽约38 nm，最长颗粒长约400 nm，见图3(e)；裂纹尖端形貌见图3(f)，裂纹沿铁素体相内晶界和块状夹杂、析出相扩展，奥氏体相内无裂纹扩展。

图3 试样显微组织

2.4 力学性能分析

对失效接管力学性能进行测试，其结果如表3所示。

表3 力学性能测试结果

接管拉伸力学性能符合NB/T 47010—2017中S22053的要求，但冲击韧性较低，冲击吸能量平均值为18.3 J，远低于订货条件(X≥70 J，最小值>56 J)要求，冲击韧性的降低与材料组织或成分有关，对于不锈钢，若夹杂物尺寸数量多、尺寸大或组织不均匀、晶界存在有害相组织等均可导致材料韧性下降。

2.5 断口形貌分析

打开接管裂纹，发现裂纹面粗糙、存在金属小刻面；经微观观察，断面存在解理台阶和舌状花样，局部解理面存在未脱落夹杂物或析出相，裂纹面以解理开裂特征为主，见图4(a)(b)；同时，对冲击试样断面形貌进行分析(见图4(c))，断面存在起源于晶界的河流状花样、鱼骨状花样及舌状花样等，微观形貌以解理开裂特征为主；断面局部区域存在韧窝带等韧性开裂特征，为奥氏体晶界部位开裂产生。接管裂纹的扩展形态与冲击试样断面形态相似，呈解理开裂特征。

图4 断口形貌示意

2.6 析出相、夹杂物成分分析

结合光学显微镜和扫描电镜观察失效接管裂纹形貌，裂纹分叉较多，沿铁素体相内晶界或夹杂物扩展，采用X-射线能谱分析仪(EDAX)对裂纹内夹杂物成分进行分析，检测位置见图5。接管材料内存在两种形态夹杂物，一种为光亮的灰色块状物，主要成分为AlO，见表4;另一种为深灰色的碎块状夹杂物，主要成分为MnS，见表5；夹杂物周边存在的裂纹为钢坯在锻造过程中受力产生。

图5 夹杂物检测位置示意

裂纹内析出相尺寸较小，且因金相组织侵蚀，析出相在晶界沟槽内，计数率太低无法检测，故纹面析出相部位进行检测，检测位置见图6，检测结果见表6，7。

失效接管为S22053 Ⅲ级锻件，经固溶处理后的正常组织应为铁素体+奥氏体，两相晶界光滑、组织中无第二相组织存在，但在检验中发现其铁素体相内存在析出相、晶界。对于S22053不锈钢，在高于350 ℃的环境中长期停留则会产生析出相，不同温度段，产生的析出相种类不同。依据制造工艺，组装完成后对设备进行了现场整体焊后消除应力热处理，热处理工艺为580 ℃×2.5 h，此工艺条件下材料组织中易产生析出相；铁素体晶界或两相晶界处析出相的存在，降低了晶界的耐腐蚀性能，弱化了晶界强度；在应力的作用下，缺陷部位(晶界、析出相)优先萌生裂纹并扩展。

表4 大块夹杂物EDAX分析结果

表5 碎小夹杂物EDAX分析结果

图6 析出相检测位置示意

表6 析出相EDAX分析结果

表7 基体EDAX分析结果

3 失效机理分析

3.1 接管存在的问题及来源

为进一步验证制造工艺对材料的影响，现场对相同制造工艺设备的78只设备接管进行金相复查，检查出存在析出相的接管28只，检出率36%。

为分析析出相的析出温度及其对材料性能的影响，进行了6组试验。失效接管经1 105 ℃固溶处理后观察，发现金相组织铁素体内晶界及析出相消失，晶界光滑，冲击韧性上升至90 J；再次进行580 ℃×2.5 h热处理，铁素体晶内出现析出相，冲击韧性下降至9 J。试验表明，组织中析出相的存在及冲击韧性的偏低均与设备焊后热处理有关。S22053不锈钢在500～650 ℃低温时效会析出R相、π相、Fe3Cr3Mo2Si2相、α′相等中间相，表现在微观组织中为铁素体相内的黑色颗粒，保温时间越长，黑色颗粒越多，并且在铁素体内晶界、铁素体/奥氏体相界集中，这些脆性相颗粒的析出会降低材料的韧性[10-12]。

中间相的析出不但降低了材料的冲击韧性，还降低了材料的耐点腐蚀性能[13]，采用电化学方法测定经不同温度热处理的S22053钢锻件的临界点蚀温度(CPT)，结果见图7。固溶态时材料的CPT约为70 ℃；经540～650 ℃热处理后，材料的CPT变化不大，在60～65 ℃之间；经700 ℃热处理后，材料的CPT明显降低，约为50 ℃。随着热处理温度的升高，组织中析出相数量增多、尺寸增大，材料的CPT下降，抗点腐蚀性能下降，即在较低温度下就会发生点腐蚀。

该建筑总空调面积为238m2，利用DeST模拟软件进行空调负荷计算，得到全年最大的冷负荷为32.95kW，全年最大热负荷为19.03kW。由于是家用中央空调，空调同时使用系数取0.7[9]，以制冷量为23.1kW进行设备选型。空调冷热源方案拟采用加装壳管式换热器的地下水源热泵系统（方案1），为比较其节能性与经济性，与空气源热泵系统（方案2）和地埋管地源热泵系统（方案3）进行对比，方案1、2、3对应的设备选型如表1、表2和表3所示。

3.2 热处理温度对材料性能的影响

将5块太阳能电池板串联后（90V）与蓄电池组的正负极连接。为确保蓄电池组的安全，在电路中串接熔断器（5A左右）两个，同时串接一个工作电流为10A的空气开关（QF）。为防止无光照时蓄电池组对太阳能电池板反向充电，在太阳能电池板和蓄电池组之间串接一个10A的二极管，同时在每块太阳能电池板的两个极间都并联一个10A的二极管。最终电路设计如图3所示。

综合上述检验结果，失效接管化学成分、拉伸性能满足NB/T 47010—2017中S22053的要求，但其冲击韧性偏低且金相组织中存在块状夹杂物、块状析出相、铁素体晶内存在晶界及短棒状析出相。

图7 不同温度热处理后S22053钢锻件在10%NaCl溶液中的CPT

接管接触介质为湿天然气，介质组分中含有1.014%的O2和0.698 9%的CO2，CO2在潮湿的环境中形成酸性环境，降低了介质的pH值，增大了材料点腐蚀的速率，再加上O2的不断补给，发生腐蚀反应，材料表面形成的钝化膜被均匀溶解，并生成腐蚀产物,加速腐蚀发生[14-15]。

BIM，Building Information Modeling首字母缩写，即建筑信息模型或建筑数字模型。随着信息时代的来临，建筑工程管理领域也开始应用到计算机辅助应用，实现了建筑业与信息化的紧密相连。BIM技术在建筑工程的规划、设计、实施及运营等全过程实现了有效管理，也实现了建筑工程的全生命周期管理，极大地提升了工程管理的高效性和规范化。

钢件在冶炼过程中因钢液不纯净、成分不均匀等原因导致材料中存在超标夹杂物，结合EDAX分析结果，夹杂物主要成分为MnS,Al2O3,为钢液脱氧、脱硫过程中的反应产物，在后期的熔炼和浇注过程中未及时去除，残留在钢锭中，以块状或条状存在，呈灰色[7-9]。

4 结语

双相不锈钢S22053材料与碳钢同炉进行焊后消除应力热处理，会导致材料铁素体相内、铁素体/奥氏体相晶界析出脆性相颗粒，CPT下降，降低了晶界的耐腐蚀性能，弱化了晶界强度；在应力的作用下，缺陷部位(晶界、析出相)优先萌生裂纹并扩展。建议碳钢+S22053双金属复合材料制造的压力容器，应避免采用热处理工艺消除焊后应力，如果必须采用焊后消应力热处理工艺，接管等材料不宜采用S22053钢锻件。

失效件中的夹杂物超标，存在尖角等易产生应力集中的部位，在接管坯料锻造过程中，尖角部位应力增大、有萌生裂纹的风险，但本次试验不能证明夹杂物会显著降低材料的韧性。

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