碱管线泄漏成因及措施研讨

时间:2022-06-07 09:36:00

碱管线泄漏成因及措施研讨

某储运中心成品车间液碱管线于2010年10月投入使用,2011年1~3月,陆续有8处焊口发生泄漏,泄漏焊口经补焊处理后继续使用。2011年4月,又有一处补焊后的焊口发生泄漏,泄漏焊口位于弯头下方。该管线的材质为20#钢,管内部介质为30%NaOH溶液,为防止由于温度过低使碱液在管线内凝固,碱线全部采用伴热线进行加热,伴热线共有热水伴热和蒸汽伴热2种介质,泄漏的8处焊口全部位于蒸汽伴热部位。伴热蒸汽压力为1.0MPa,伴热温度为180℃。为查明该碱线多次发生泄漏的原因,对该碱线进行综合分析。

1取样和宏观检验

在整条管线上取2道焊口进行分析[1],1道焊口为发生泄漏的焊口,见图1;另1道焊口为未发生泄漏的焊口,见图2。在泄漏的焊口处仔细观察,发现在焊缝中部有1条穿透性裂纹,裂纹长度为50mm,见图3。将带裂纹的焊口切开后观察,断口表面有一层黑色物质覆盖,断口平齐,无明显塑性变形,呈脆性断口特征[2],见图4。

2扫描电镜断口分析

将切开的焊口进行扫描电镜观察。经高倍观察,断口表面被一层产物所覆盖,无法观察到原始形貌见图5。图5扫描电镜结果为去除断口表面覆盖的产物,取2块断口试样,在稀盐酸中反复清洗,直至断口表面显露出金属光泽,再经超声波清洗后装入扫描电镜内进行观察,发现经过稀盐酸清洗后的断口表面均显露出沿晶界断裂的特征[3],见图6。

3微观检验

在与断口垂直的焊缝上磨制显微金相试样,经抛光后用光学显微镜观察,未见超标冶金缺陷。断口2侧的焊缝试样上均存在裂纹,裂纹较深,有分枝和断续现象,裂纹尖端较尖锐,呈树枝状,见图7。图7光学显微镜观察结果将带有裂纹的焊缝采用4%硝酸酒精腐蚀后观察,组织为:铁素体+珠光体,裂纹呈树枝状沿晶界扩展,见图8。图8用4%硝酸酒精腐蚀后的组织在未发生泄漏焊口部位的焊缝、热影响区和母材上分别制取显微金相试样,经4%硝酸酒精腐蚀后观察,焊缝组织为:铁素体+珠光体,见图9;热影响区组织为:魏氏组织铁素体+珠光体,见图10;母材组织为:铁素体+珠光体,见图11。

4力学性能检验

由于泄漏焊口在弯头部位,无法加工成力学试验试样,故在未发生泄漏的直管段焊缝部位分别制取1件拉伸试样和1件弯曲试样。经力学试验,拉伸试件抗拉强度为477MPa,断裂位置为母材。焊缝弯曲后未见缺陷,材料强度合格[4]。

5分析讨论

根据对管线焊口部位的综合分析,特别是宏观检查、金相分析及断口分析所揭示的各种宏观和微观形态,可以看出:断口平齐,无明显塑性变形,呈脆性断口特征,高倍观察断口表面有沿晶断裂特征,裂纹有分枝和断续现象,裂纹尖端较尖锐,呈树枝状。结合断口表面氧化腐蚀产物的能谱分析和力学试验结果,认为该碱线焊口的开裂属于碱脆破裂。碱脆破裂的原因是焊缝区在碱液中的应力腐蚀引起开裂。在电化学腐蚀中,当NaOH的浓度大于30%时,阳极区的Fe和NaOH发生溶解反应:Fe+2NaOH=Na2FeO2+H2,生成物中的Na2FeO2为可溶性的铁酸盐,不会在焊缝区表面形成保护膜,故该反应会不断进行,在残余拉应力的作用下,焊缝区最终会产生裂纹,形成开裂。NaOH含量30%时,碳钢易发生碱脆的温度是60℃至沸点。实验证明,金属中的碳含量在0.01%~0.25%范围内容易产生碱脆现象,大于或小于这个范围时,都难以发生碱脆,20#钢的碳含量0.17%~0.24%之间,正处于发生碱脆的条件范围内,再加之蒸汽伴热温度为180℃,因而促成了碱管线焊口发生碱脆。

6结论

(1)该碱管线焊口开裂属于应力腐蚀开裂(即碱脆)造成的开裂;(2)180℃的蒸汽伴热线为20#钢碱线的焊口开裂提供了温度条件;(3)碱管线安装过程中产生的应力及焊接产生的残余应力,为焊口的开裂提供了应力条件。降低碱线的伴热温度,严格控制碱线温度在60℃以下;如需对焊口进行返修,必须打磨掉肉眼可见的裂纹和气孔,用3%的医用硼酸反复涂刷焊缝及周围区域,再用水反复冲洗干净;施焊前进行预热,预热温度大于50℃,焊后进行600~650℃高温回火,最大限度地消除残余应力。