不锈钢复合板质量事故失效分析

不锈钢复合板质量事故失效分析

张晓燕 李毅军

中国石油乌鲁木齐石化公司监测中心 新疆产品质量检验研究院

摘 要： 某常减压装置减压塔，由洛阳设计院设计，兰州化建承担施工。塔体的上段和中段两部分为不锈钢复合板，该设备在现场组焊时，环焊缝上出现大量裂纹，经多次返修后延迟交付使用。本文就此次裂纹产生的原因及修复措施进行相应的技术分析。

关键词：减压塔 复合钢板 裂纹 分析 修复

1. 基本情况

某常减压塔主体由上、中、下三部分组成。塔体高45731mm，2.56吨，塔壳体上段直径4200 mm,高4956mmm，材质20g，厚度16mm。中段直径6400mm，由碳钢段和不锈钢复合板段两部分组成，其中碳钢段高7500mm，材质20g，板厚20mm，不锈钢复合板高度27618mm，材质20g＋316L，厚度20+3mm 塔壳体下段直径3000mm，材质20g＋316L，厚度14+3mm。

减压塔壳体直径为6400mm段，由生产厂制作冲压成形，分片供货。设备筒体在现场组焊时，发现设备筒体不锈钢复合板侧环焊缝多处出现裂纹。为了检查裂纹产生的原因及提出修复意见，对塔体进行了材质取样分析，并依此结论、制定了裂纹返修方案。

2. 塔体环焊缝裂纹的宏观形态

该塔的不锈钢复合板共有17道环焊缝，焊缝编号B8~B25，现场组焊工艺为：焊接基层――RT探伤检验――焊接过渡层――PT探伤检验――盖面焊接――PT探伤检验。在焊接B17过渡层后，进行PT检验时发现沿焊缝两侧熔合线至焊缝内部出现纵向裂纹，裂纹长短不均匀，呈现蠕虫状。

3. 塔体材质分析

为了查明裂纹产生的原因，对塔体不锈钢复合板20g＋316L进行取样分析和材质鉴定，分析及试验结果如下：

3.1 化学成份分析

3.2 冷弯试验：标准值d=3a,180°无裂纹；

试验值d=3a, 180°合格。

3.3 剪切试验：标准值 Jb不小于147N/mm；

试验值 325～360N/mm。

3.4 晶间腐蚀试验：不锈钢晶间腐蚀试验。

对复合板316L的晶间腐蚀试验结果：合格。

3.5 拉伸试验（复合钢板）

由试验结果可知，复合板拉伸试验无屈服点，拉伸强度趋于上限值，试件的延伸率低于标准值，说明复合板塑性较差。

3.6 基材的冲击试验：

标准要求值： 冲击功不低于27（J）。

试验值： 试件的冲击功分别为 7 、 8 、32 （J）。

由此可见复合板基材的冲击韧性值远远低于标准要求值。

3.7 金相组织分析及显微硬度测试

在安装现场对组焊件进行金相取样检验，其金相组织特征基层金相组织为：珠光体＋铁素体，珠光体沿晶界分布，晶粒较粗大；复合层金相组织为：奥氏体＋少量铁素体，基层和复合层之间有一个过度区，在过度区靠近基层侧有一个明显的脱碳区，而在脱碳区靠近复合层侧有一个相应的增碳区，过度区的金相组织为：马氏体＋奥氏体＋铁素体，同时在过度区的复合界面上存在过渡区的复合界面有孔洞存在，表明复合板的复合状态并不理想。

照片1 复合板显微组织照片 °50 照片2 复合区局部放大 °250

照片3 冲击断口形貌（SEM）°400 照片4 冲击断口表面形貌（SEM）°400

对试件的复合区进行显微硬度测定结果如下：

由上表可以看出，基层材料的显微硬度值偏高，过度区增碳层含少量的马氏体组织。导致硬度较高。

4. 断口分析：

为了分析复合板基材的冲击韧性值偏低的原因，对冲击试件的断口取样进行断口扫描电镜分析。经观察分析基材的断口表面珠光体成串珠状，较粗大，低倍观察呈结晶状，高倍观察其呈解理形状，并有许多二次裂纹和孔洞，在断口的韧窝内有许多夹杂物，电镜的能谱成分如下：

表4 断口表面能谱成分（重量百分比％）

项目 Si S Cr K Ca Fe Mg Al

1#

0.93 1.03 1.38 2.6 80.98 92.95 — — 2# 21.51 1.26 0 1.93 33.43 36.25 1.83 2.60

从以上结果可以判定1#

试样的夹杂物为FeS、K 2O、Ca-Fe-Si 的复合夹杂，2#

试样中的夹杂物为Ca-Al-Si 和Ca-Mg-Si 以及FeS 的复合夹杂。基材中存在大量的粗大成串状分布的珠光体及复合夹杂物是造成基材脆断的主要原因。 5. 结论

5.1 经材质鉴定，复合板的抗拉强度值偏上限、延伸率低于标准值，冷弯试验合格，剪切试验合格，无晶间腐蚀倾向。

5.2 复合板基材（20g）的冲击韧性值低于标准要求值，不合格。

5.3 复合板基材的金相组织中珠光体形态和分布异常；复合层（316L）的金相组织正常；复合区两侧有明显的脱碳层和增碳层，有明显的未完全复合形成的孔洞。

5.4 经对复合板的制造工艺审查，该批复合钢板在制造过程中未能有效的控制其韧性指标。

6. 缺陷焊缝的修复

6.1 确定修复方案的依据

根据不锈钢复合板的材质鉴定报告的结论在现场进行了小面积返修的试验，试验表明，不锈钢复合板基材侧的抗裂性较好，采取适当的措施可以控制焊接裂纹的产生；当焊接到过度区时，由于该区域的脆性大，有增碳和脱碳现象，复合板存在原始制造缺陷，造成该区域的抗裂性差，焊后极易产生焊接裂纹，因此决定对复合板的过度区的焊接工艺进行改进，不采用过渡焊，而用贴焊不锈钢条的方案。

6.2 修复效果验证

减压塔失效区域经修复投用后，依据特种设备定期检验规则，经两个全面检验周期运行至今，焊缝区无损探伤未发现新生裂纹。

参考文献

1、《中外常用金属材料手册》.陕西省标准化情报研究所

2、《不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应力腐蚀不锈钢》.陆世英等