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F304不锈钢阀门卸压杆断裂原因分析
发布:water0424   时间:2015/3/4 14:28:38   阅读:820 
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   某油田天然气输气管线上的高压手动截止阀卸压杆在使用两个月时发生断裂。该卸压杆的材料为F304不锈钢,经过机械加工而成。卸压杆直径为15 mm,杆中心沿纵向有Φ4 mm的孔,工作时天然气通过杆中心的孔排出,起到卸压的作用。杆外侧带有螺纹,与阀体通过螺纹连接。工作介质为天然气(主要成分为甲烷,另外含有少量H2S,CO2,CO,H2O),工作压力低于1 MPa。为查明该截止阀卸压杆断裂的原因,以便采取措施避免同类事故再次发生,兵器工业西北地区理化检测中心的谢华、翟博、王瑞对其取样进行了失效分析。

 
   该卸压杆的材料成分符合F304不锈钢含量的要求,裂纹属于穿晶加沿晶混合型开裂,裂纹在扩展过程中有分支,断口上有黄褐色腐蚀产物,杆内孔壁上有较多点蚀坑。材料为18-8奥氏体不锈钢,基体组织为奥氏体,且有孪晶,另外还有较多的马氏体组织。卸压杆的工作介质为未经脱硫的甲烷,含有一定量的硫化氢和水。

   天然气中所含的水吸附在卸压杆排气孔内壁上形成水膜,硫化氢溶入水膜形成硫化氢水溶液,硫离子促使阴极反应析出氢原子。由于受到渗透性的限制,氢原子通常在奥氏体中的扩散速度很慢,而在马氏体中的扩散速度非常快,比在奥氏体中快几个数量级。因此,氢原子在钢表面富集并进入到奥氏体钢的马氏体组织中,最终导致因氢致脆的开裂;同时,马氏体组织的存在也加剧了其他因素诱发的奥氏体组织应力腐蚀开裂。

   研究证实,产生马氏体组织将诱发阴极氢脆型应力腐蚀。冷变形是造成18-8型亚稳定奥氏体不锈钢中奥氏体组织转变为马氏体组织的重要因素。由材料基体组织中奥氏体有大量孪晶且有大量马氏体组织存在可知,卸压杆的原材料是经过冷成形加工制成的,并且在成形后未经过高温固溶处理。奥氏体不锈钢中存在大量马氏体组织是导致卸压杆断裂的内在原因和主导因素。

   天然气中所含的水和硫化氢使卸压杆内孔壁处于硫化氢应力腐蚀环境中。卸压杆的硬度为23.8 HRC,处于易发生应力腐蚀的硬度范围。在硫化氢应力腐蚀破坏过程中,一方面产生硫化物,另一方面硫离子促使阴极反应析出的氢原子在杆内孔壁表面富集并进入奥氏体钢的不稳定区(马氏体组织),形成马氏体氢脆型应力腐蚀。马氏体组织提供了氢原子渗透及扩散的通道,又是引起脆化的主体。同时,硫化氢也会引发奥氏体不锈钢产生应力腐蚀开裂。在断口上观察到裂纹呈沿晶加穿晶的混合形貌,其特征与硫化物作用下的奥氏体和马氏体材料应力腐蚀特征一致。所以,天然气中存在硫化氢是导致卸压杆断裂的环境因素。

   加工残余应力及马氏体转变引起的组织应力,以及卸压杆外侧螺纹根部的应力集中是导致卸压杆断裂的力学因素。

   由上可知,卸压杆断裂的原因是由于F304奥氏体不锈钢中存在大量马氏体组织,天然气中存在硫化氢和水分,促使发生阴极反应析出的氢原子富集在马氏体组织中,诱发阴极氢脆型应力腐蚀,从而造成卸压杆断裂。

   卸压杆冷加工成形后应进行高温固溶处理,可使冷加工形成的马氏体组织分解,并使加工和组织转变引起的残余应力得到释放,大大降低运行中产生应力腐蚀的几率。或者建议更换材料,选择不易产生形变诱发马氏体的316L不锈钢。


《理化检验-物理分册》2015年第一期
 
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