常顶挥发线碳钢管道焊缝脆性断裂原因分析

常顶挥发线碳钢管道焊缝脆性断裂原因分析

束润涛 武汉市润之达石化设备有限公司

摘要：某石化公司常顶挥发线弯头与法兰焊缝出现裂纹，导致含硫化氢的油气泄漏。经分析，焊缝金属的硬度值超标，而且还存在强制组装的结构应力问题，不能满足含硫化氢介质环境的使用要求。微观分析发现：焊缝和热影响区存在粗大魏氏体脆性组织，属于焊接热循环过度和结构应力过大所致的非正常硫化氢应力腐蚀脆性断裂。

关键词：焊缝 断裂 硬度 魏氏体硫化氢

0、前言

某石化企业常顶挥发线管道使用时间仅10个多月就发现在弯头与法兰的焊缝部位发生硫化氢泄漏，经检查为焊缝金属脆性断裂。管内介质为含饱和硫化氢的油气，设计材质为20号钢，规格：DN178×10，使用温度：45℃，常压。

1、断裂部位和腐蚀形态

管内介质为含硫化氢的常顶油气。硫化氢是一种神经毒剂，在短时间吸入过量即可造成中毒窒息而死亡，一旦大量泄漏必将造成极大的安全危害。因此，整个装置被迫紧急停车进行抢修，并对断裂原因进行分析。

1.1管道焊缝的断裂部位

管道焊缝金属的断裂部位和外表面痕迹见图1和图2。

图1 弯头与法兰焊缝断裂位置

图2 断开后复原的外表面痕迹

从图1外表看，焊缝靠近法兰热影响区环向撕裂，环向撕裂的长度接近管道周长的1/2。将对应法兰螺栓卸下后发现弯头连接法兰与三通连接法兰存在明显错位，说明现场组装存在非常严重的结构应力。图2是拼起来的复原痕迹。

1.2管内腐蚀情况及断口形貌

硫化氢对碳钢的均匀腐蚀速率较低，由于使用周期不长，管内无明显腐蚀痕迹。将法兰和弯头拆下后，在未裂部位用锤击便脆性断裂，其断裂部位呈岩石状特征，见图3。图3左下角有块状撕裂痕迹，为典型的脆性断裂形貌。

图3 断口为脆性形貌特征

2、焊接接头性能分析和质量追踪

2.1化学成分分析

将弯头、法兰和焊缝金属进行化学成分分析，均满足相关标准要求，材质无质量问题。

2.2硬度检测

用线切割取焊接接头的小样进行硬度检测，压头直径ø2.5mm，在相隔20mm的部位用台式布氏硬度机检测两组数据，其检测结果如下：

表1 焊接接头布氏硬度检测结果（HB）

根据检测结果显示，管道侧母材硬度值正常，法兰侧母材略微偏高，焊缝金属已远远超出了母材的硬度值。第2组焊缝中心最高值229HB，超出了GB20581《钢制压力容器材料选用规定》中关于硫化氢使用环境中硬度单个值HV≤220的要求^【1】，说明焊缝硬度值不符合硫化氢应力腐蚀环境的使用要求。

2.3焊接工艺、焊接过程质量控制和热处理

该企业焊接工艺、焊接过程质量控制和热处理均没有提供相应原始文件。

20号钢匹配的焊条牌号为J427，正常焊接状态下的硬度值不应大于180HB，根据焊缝中心单个硬度值大多超过180HB来判断，焊接施工过程处于失控状态。

3.微观分析

将焊接接头取样进行微观光镜分析，发现焊缝和热影响区都存在粗大的魏氏体脆性组织，见图4和图5。两侧弯头和法兰母材组织正常，晶粒细小，见图6和图7。

图4 焊缝为魏氏体组织 100×

图5 热影响区发生魏氏体转变100×

图 6 弯头珠光体+铁素体 100×

图7 法兰珠光体+铁素体 100×

通过金相分析，发现焊缝金属和热影响区为晶粒粗大的魏氏体脆性组织，这些魏氏体组织就是导致焊接接头脆性断裂的主要原因。

4、分析和探讨

4.1焊接接头魏氏体脆性转变的影响性分析

碳钢材料焊缝金属和热影响区的魏氏体组织在一些文献中有所介绍，但对其产生事故的案例分析很少见到。还有一些观点认为，焊接过程中产生魏氏体组织是不可避免的一种转变，但忽略了魏氏体组织对腐蚀和安全的危害性认识。魏氏体组织一般分为0～5级，级别越高晶粒越粗大^【2】，其脆性倾向也越大。粗大魏氏体脆性组织一旦形成，其塑性和韧性都将大幅降低。事实上，焊缝和热影响区粗大的魏氏体组织在结构应力、疲劳载荷以及应力腐蚀介质作用下发生非正常失效的概率很大，会直接导致焊接接头使用寿命降低和安全风险增加的情况。

焊接接头发生魏氏体脆性组织转变的原因是：焊接时热输入偏大，焊缝金属在高温熔池中驻留的时间较长，促使高温奥氏体晶粒长大并在冷却过程中转变为魏氏体组织。焊接熔池中热循环过度的温度场向热影响区辐射，使熔合线附近的热影响区母材形成重新结晶，也同样会导致热影响区微观组织的魏氏体脆性转变，使焊接接头的整体性能降低。

文献2模拟锅炉蒸发器结构特点，采用20G接管进行焊接试验和分析，但并没有做焊缝和热影响区的冲击韧性试验，亦忽视了魏氏体的危害性及影响。此外，桥梁和钢结构也存在类似问题，焊接接头魏氏体组织的转变也将是加速疲劳裂纹产生的重要原因之一，应引起业内足够重视。魏氏体组织是一种脆性组织，要通过焊接工艺控制，避免出现魏氏体组织。

在实际生产中，碳钢材料在铸造、热轧、锻造后空冷，焊缝或热影响区在高温段停留时间过久后空冷，或者当加热温度过高，并以较快的速度冷却，先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体晶界生长出来的近于平行的或者其他规则排列的针状铁素体或渗碳体加珠光体组织就是魏氏体^【3】。魏氏体组织一旦形成，将会导致硬度上升，塑性和韧性大幅降低，脆性特征明显，其应力腐蚀危害和安全风险极大。

实际上魏氏体是在高温段沿着过饱和固溶体的特定晶面析出，冷却时在铁素体母相内呈一定规律的片状或针状分布的第二相形成的复相组织，魏氏体组织通过正火可以彻底消除，通过退火也可以降低魏氏体组织的不利影响。

焊接时严格按照焊接工艺，或WPS规程施焊，均不会产生魏氏体组织。

工程应用中，在焊接管理和焊工操作上是以“合规”为基础，判断焊接接头质量的好坏基本上是以无损检测合格为原则。但在赶工期的前提下，不断提高焊接速度或采用大线能量焊接中厚板，从而导致焊接熔池的热循环过于集中而发生脆性转变。

4.2结构应力和腐蚀介质的影响

根据图1所示，弯头连接法兰与三通连接法兰的组对存在明显错位，说明管道安装现场为野蛮施工，而且质量监管失控，这种强制组装会产生严重的结构应力。

该管道的流体物料为含饱和硫化氢的塔顶油气，当流体经过弯头时会在流阻的作用下产生振动疲劳。

流体中的饱和硫化氢与碳钢管材接触会与金属内表面的铁反应生成硫化铁和氢气（H₂S+Fe→FeS＋H₂），在管道对接焊缝为粗大魏氏体脆性组织的前提下，流体在弯头处出现流阻而发生振动，在达到一定的时限后形成微小的疲劳裂纹，而大量的氢原子会在裂纹处聚集，在局部形成很大的氢分压，进而在结构应力作用下发生脆性断裂。

这种经强力组装的管道，在焊接脆性和持续振动的使用条件下，即便物料中没有硫化氢介质，也会因振动疲劳而发生脆性断裂，只是失效的时间不同而已。

5、总结

5.1管道焊缝的硬度值过高，法兰组对存在严重的尺寸错位，导致结构应力过大，焊接接头不能满足硫化氢环境的使用要求；

5.2通过微观分析，发现焊缝和热影响区存在晶粒粗大的魏氏体脆性组织，属于焊接热循环过大所造成的脆性转变；

5.3腐蚀失效的原因为焊接接头微观组织的脆性转变+野蛮组装的结构应力+饱和硫化氢导致的氢渗透腐蚀，该案例为非正常情况下的硫化氢应力腐蚀；

5.4建议强化管道组装现场管理的过程控制，不仅要避免强制组装带来的组装应力，而且要严格按焊接工艺规程进行焊接和监管，避免焊缝和热影响区出现魏氏体脆性转变。

参考文献：

【1】GB20581-2011，《钢制压力容器材料选用规定》，中华人民共和国工业和信息化部发布。

【2】碳钢焊缝、热影响区魏氏体组织的形成及性能特点，作者：姜龙、张方、王勇，《余热锅炉》2013.1，P9.

【3】《金属学及热处理》崔忠圻 编 P274页。

作者简介：

束润涛，男，1966年4月出生。武汉市润之达石化设备有限公司总经理兼研发中心主任，湖北省焊接技术协会常务理事。长期从事石化设备的材料、焊接和腐蚀失效分析和研究工作，公开发表专业技术论文20多篇。获得5项发明专利授权证书和20多项实用新型专利授权证书，其中“耐硫化氢腐蚀09Cr2AlMoRE换热器”获得湖北省重大科技成果奖。是武汉工程大学和湖北工业大学特聘校外研究生导师。E-mail：shu8088@263.net