304材质标准椭圆封头直边段开裂失效研究

【摘 要】304材质不锈钢封头，服役使用4年后，工厂检修人员发现其直边部位发生开裂现象。通过无损检测，原材料化学分析，并且对设备周围环境分析，得出最终结论：304材质在湿H2S环境中，存在拉应力作用下，发生应力腐蚀，导致设备封头产生裂纹。如何预防应力腐蚀，及成功返修案例。

【关键词】标准椭圆封头；应力腐蚀裂纹；H2S

0 引言

某化工厂于2007年7月份服役的3台304不锈钢卧式设备，在2013年3月份检修期间，发现封头中部以下直边段多处开裂，裂纹呈线状沿设备轴向延伸。裂纹从环缝热影响区部位开始，沿封头中心方向行进，基本上是垂直环焊缝。

该容器为露天安放，封头在大气之中。设备主体受压元件材质为304，封头由藁城市某封头加工厂采用冷旋压成型的加工方法制作，并出具了封头产品合格证。封头规格：EHA 2400x10。

1 无损检测

对发生开裂的部位进行表面着色渗透试验，并进行扩探，结果显示除了目测能发现的裂纹之外，还检测出了其它微小裂纹。

2 材料理化试验

3 裂纹产生原因分析

裂纹不是发生在环焊缝上，而是距离环缝边大约10mm为起点，延伸5-40范围不等。可以看出热影响区的部位是开裂形成的温床。热影响区本身是一个组织和性能极不均匀的区域；其中一些组织和变坏了的部位往往成为整个焊接接头中最薄弱环节，对焊接质量起着控制作用。焊前母材的原始状态也是会影响到焊接热影响区内组织变化和性能变化[3]。封头侧的热影响区，焊前状态是冷旋压成型，加工过程中，产生很大压力拉力使304钢板发生塑性形变，并且反复作用，直到封头符合要求的形状为止。这一过程中，304钢板发生冷作硬化，硬度计测试发现，直边段硬度是所有部位的最大值，可以达到HB230～310.采用埋弧自动焊焊接完毕环缝后，封头侧直边段硬度甚至达到HB300～340HB，这说明其内部存在相当大的应力。

该化工厂以生产浓硫酸，盐酸及其附属产品形成复合肥为主。我们到达现场观察裂纹，分析裂纹所属性质时，不时有刺鼻的气体吹过。向该单位工段长询问后，得知是另外一家小作坊式工厂也在生产硫酸，没有经过环评就私自生产经营了。排放的气体主要成分是SO2、H2S，并且这3台卧式设备由于内部介质特性问题，需要采取降温措施，该设备采用外部正上方喷淋水的方式降温。这正好将大气中飘来的SO2、H2S溶解在喷淋水当中，形成酸性环境，并电离出S-。这样304不锈钢设备发生应力腐蚀的必备两个条件：

1）存在相当大拉应力；

2）湿H2S环境。

4 结论

1）应力腐蚀开裂：拉应力与特定腐蚀介质的共同作用而引起的脆性开裂[4]。封头直边段开裂原因为典型S-应力腐蚀开裂，是材料内部拉应力与介质腐蚀共同作用形成的裂纹。

2）封头冷成型时，封头内部及外部的划伤，予以修复并保持直边段周围光滑，防止出现应力集中区域。

3）组装工艺严格控制，封头椭圆度，筒体椭圆度，周长允差。组对时应避免强力组装，降低组装应力。

4）封头与筒体焊接时，防止过热区晶粒长的过大，在焊接时尽量减小焊接时热量输入。如采用能量密度高的焊接和小的线能量方式。严格控制层间温度，避免焊接造成热影响区局部敏化，应力集中部位尽可能采取消应处理。

5）隔离形成应力腐蚀的环境影响因素。

5 维修及预防措施

1）针对已经形成裂纹的封头，现场采用等离子沿环缝偏向筒体侧切割将封头取下。使用重新加工封头。PT、RT检测将设备其他部位纵缝、环缝抽检，结果没有发现应力腐蚀缺陷。

2）新封头组对完成后用手工焊接方法，能量密度高小线能量方法，尽量减小焊接时热量输入，使敏化处理的范围尽可能小[5]，同时避免热影响区晶粒颗粒过大，及晶粒过大引起严重脆化。有效降低了焊接产生应力。

3）设备隔离湿H2S环境。设备外部增加防腐图层，采用加装盘管降温，同时去除喷淋装置；整体保温将盘管裹住，同时隔离大气中的SO2、H2S。

目前该设备已经重新开车运行，运行状态良好。

【参考文献】

[1]GB 24511-2009 承压设备用不锈钢钢板及钢带[S].

[2]SY/T 0599-2006 天然气地面设施抗硫化物应力开裂和抗应力腐蚀开裂的金属材料要求[S].

[3]中国机械工程学会焊接学会，编.焊接手册[S].机械工业出版社，1995.

[4]贺匡国，主编.化工容器及设备简明设计手册[S].化学工业出版社，1994.

[5]肖纪类.应力作用下的金属腐蚀[M].化学工业出版社，1990.