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錢耀洲，游 菊
（上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院，上海200062）
摘要：采用化學成分分析、金相檢驗和斷口分析等方法，對304L鋼D210塔筒體泄漏原因進行了分析。結果表明：D210塔筒體泄漏原因是由于氯離子的存在而產(chǎn)生應力腐蝕開裂所致。由于敏感材料、應力腐蝕環(huán)境及應力三個條件共同存在，在一定溫度下使其產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，裂紋起始于筒體外壁角焊縫處，而后向內壁擴展，zui終穿透筒壁，致使該塔筒體在角焊縫處產(chǎn)生破裂泄漏。
關鍵詞：筒體；應力腐蝕開裂；氯離子；泄漏
某化工企業(yè)的D210塔于1999年12月底經(jīng)驗收合格投入使用，運行至2009年2月中旬發(fā)現(xiàn)在塔體第三層平臺的保溫支承圈上部出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。停運后拆卸外部保溫材料經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，泄漏部位在塔體內側塔圈支承圈的下部的筋板與筒體連接的角焊縫處；外側處在保溫支承圈的上部，梯子聯(lián)結板與筒體聯(lián)結的角焊縫處（圖1）。針對上述情況，使用單位召集相關單位共同商討該塔的修理事宜。作為該設備修理的監(jiān)檢人員，筆者提議在進行修理前應查明該設備的泄漏原因，以便制定合理的返修方案。
該塔材質為304L鋼，規(guī)格為φ4 180mm×8（10，12）mm×18700mm，容積為220m3,工作介質為某種溶液與空氣的混合體，工作壓力為0.3MPa，工作溫度為90℃。具體的理化檢驗與分析過程介紹如下。
1 理化檢驗
1.1 化學成分分析
在泄漏處附近的筒體上取樣進行化學成分分析，其結果見表1，可見該泄漏筒體材質的化學成分符合ASMEⅡ-ASA-240標準對304L鋼的技術要求。
1.2 金相檢驗
在筒體泄漏處截取橫向試樣，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光及王水侵蝕后，在光學顯微鏡下觀察到呈樹枝狀分布的裂紋，裂紋均起始于筒體外壁焊縫處，并向內部呈穿晶狀擴展，見圖2和3.筒體顯微組織主要為奧氏體及δ鐵素體，見圖4.
1.3 斷口分析
用人工方法將裂紋打開制取斷口，打開后發(fā)現(xiàn)其大部分斷口上腐蝕產(chǎn)物呈深褐色，表面較粗糙，為脆性斷口；小部分斷口為被撕開的新鮮斷口，由此可見裂紋即將穿透筒壁。
用掃描電鏡觀察斷口形貌，在腐蝕斷口上可觀察到龜裂泥狀花樣（圖5）、扇形及解理花樣以及二次裂紋（圖6）；在人工撕開的新斷口上可觀察到韌窩花樣（圖7）。
對腐蝕斷口上的腐蝕產(chǎn)物做X射線能譜分析，結果見表2，可見除不銹鋼中的主要合金元素外，還檢測到氧、氯和硫等；在人工撕開的新斷口上做X射線能譜分析，僅檢測到五種元素，其分析結果也列于表2.
2 分析與討論
由金相檢驗觀察到的呈樹枝狀分布的穿晶裂紋為典型的應力腐蝕裂紋；由斷口分析觀察到得腐蝕斷口上的龜裂泥狀花樣、扇形及解理花樣以及二次裂紋，均為應力腐蝕斷口的典型特征。另外還可看出腐蝕斷口與人工撕開斷口的典型特征。另外還可看出腐蝕斷口與人工撕開斷口在掃描電鏡中的形貌截然不同，腐蝕斷口為穿晶脆性斷口，其上有腐蝕產(chǎn)物；而人工撕開斷口為韌性斷口。X射線能譜分析腐蝕斷口上氯元素含量達2.38%，表明應力腐蝕是由氯離子引起的；而在人工撕開斷口上沒有發(fā)現(xiàn)氯元素。
應力腐蝕開裂是在一定溫度下受腐蝕介質和拉應力共同作用下所導致的腐蝕開裂現(xiàn)象，它與單純由應力造成的破壞不同，而是在較低的應力水平就可產(chǎn)生破壞；它與單純由腐蝕引起的破壞也不同，在腐蝕性較弱的介質中就會產(chǎn)生應力腐蝕，所以應力腐蝕所產(chǎn)生的裂紋及斷口形貌都有其一定的特征。但應力腐蝕只有在某種金屬與介質的一定組合情況下才能發(fā)生，不同的金屬產(chǎn)生應力腐蝕的介質不同，也就是說產(chǎn)生應力的腐蝕的一個主要條件是特定的腐蝕介質，而鎳鉻奧氏體不銹鋼在含氯離子介質中對應力腐蝕比較敏感，該塔體采用了304L不銹鋼，故具備了產(chǎn)生應力腐蝕的材料因素。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在奧氏體不銹鋼應力腐蝕事故中，含氯離子介質所引起的應力腐蝕占大多數(shù)，對于奧氏體不銹鋼而言，當壁溫高于30℃，在含一定濃度氯離子的環(huán)境中就可以產(chǎn)生應力腐蝕；當溫度高于40℃時，僅需每升幾毫克的氯離子濃度便可引起應力腐蝕；在50℃以上含氯離子水溶液中則特別容易產(chǎn)生應力腐蝕，也就是氯離子濃度越大，溫度越高，應力腐蝕就越容易產(chǎn)生。該塔工作溫度為90℃，正是容易產(chǎn)生應力腐蝕的溫度。
而能譜分析結果表明了腐蝕斷口上有氯離子存在，從而也說明了該塔的筒體應力腐蝕是由氯離子引起的，根據(jù)筒體裂紋起始于外壁焊縫處，因此可斷定引起腐蝕作用的氯離子必定來自于外壁的保溫層。在正常情況下保溫層應該是干燥的，但該塔置于露天，經(jīng)常淋到雨水，該塔外側局部有保濕層，保溫材料為巖棉，大量雨水滯留在支承環(huán)的保溫材料內，導致在支承圈處的保溫層受潮；另外由于周邊有大量化工企業(yè)，雨水中含有偏多的氯離子，使用單位提供的消防水池中的水質分析報告顯示氯離子含量達70～80mg/L，從而使氯離子在設備支承圈處集聚。在設備被加熱的過程中使得集聚在保溫層中的氯離子濃度不斷升高，致使該塔筒體具備了產(chǎn)生應力腐蝕的腐蝕環(huán)境。
該塔筒體泄漏部位處于角焊縫處，焊后常有較大的殘余應力，在運行過程中也有一定的工作應力，因此兩種應力疊加，使其具備了應力腐蝕的應力條件。由此可以判定該塔筒體發(fā)生泄漏是由于產(chǎn)生了應力腐蝕開裂所致。
3 結論及建議
（1）該塔筒體所出現(xiàn)的裂紋性質為典型的應力腐蝕裂紋。由于敏感的材料、應力腐蝕環(huán)境及應力三個條件共同存在，在一定的溫度下zui終使其產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，裂紋起始于筒體外壁角焊縫處，爾后向內壁擴展，直至穿透筒壁，zui終導致該塔筒體產(chǎn)生破裂泄漏現(xiàn)象。
（2）建議改變保溫層的結構或采用其他保溫材料，并確定保溫層干燥。在該塔帶保溫層的筒體部位涂刷防腐油漆。
（3）加強運行管理，切實做好設備的巡檢工作。在定期檢驗時，應對保溫層結合處、保溫層的破損部位及應力集中部位進行重點檢查。
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