汽包内壁缺陷分析及对策——方珍(上海石化设备检测中心)

1、汽包内壁缺陷分析及对策方珍(上海石化设备检测中心) 摘要：通过对蒸汽发生器汽包内壁产生的缺陷进行分析，找出缺陷产生的主要原因，并采取有效的解决措施，杜绝类似缺陷的再次产生。 关键词：汽包 缺陷 氧腐蚀 分析 焊接 中国石化上海石化炼化部减压装置蒸汽发生器利用减二中线以及常一中线物料的热量通过汽包为装置提供了中压蒸汽，如果汽包发生故障，使整套装置的蒸汽系统失去平衡，严重时导致停车事故。该汽包的外形如图1所示：其主要技术参数：设计压力1.6 MPa，工作压力1.3MPa，设计温度200，工作温度180，使用介质为过热蒸汽及除氧纯水（含少量溶解氧），设备材质16MnR，容积4.25M3，设备的外形尺

2、寸为1000×12×L6020。在设备检修中，对该汽包进行压力容器内外部全面检验，在对封头与筒体内壁焊缝进行磁粉检测时，发现近筒体侧，有类似“裂纹”的缺陷。由于该缺陷分布在整圈环焊缝上，数量又较多，采取常规打磨修理的方法，无法消除该缺陷。为此，我们切割汽包整圈环焊缝，然后重新开坡口，检验合格后，再进行施焊。针对汽包在生产运行中，产生类似“裂纹”性缺陷的情况，我们进行了分析，找出产生此类缺陷的原因，以便采取有效的措施，杜绝类似缺陷的重复产生，确保设备的安全运行。 1. 汽包材质认定 汽包材质认定采用取样化学成份分析的方法，分析结果见表1。 表1：汽包材料化学成份分析表（%）

3、根据以上汽包材料主要化学成份测试值，对照世界标准钢号手册对应的我国16MnR材料的化学成份数据，目前汽包使用的材质符合16MnR的成份与设计要求。 2. 汽包环焊缝热影响区缺陷宏观形貌在汽包封头与筒体环焊缝处，割取一块试样，然后将试样内壁打磨后，仔细观察，发现环焊缝近母材侧，表面存在很多点腐蚀凹坑。具体形貌如图2所示。图2 焊缝近母材侧的宏观形貌 从图2中，可见点腐蚀凹坑的尺寸大小不一，直径约14mm，深约23mm。在点腐蚀凹坑之间有细小的腐蚀凹槽。宏观上，肉眼看上去极似表面裂纹，而实际上是由于焊缝余高过高，且焊缝表面成形不光滑，表面凹凸不平所引起的点腐蚀所致。 3. 汽包缺陷部位金相分析 3

4、.1内表面的凹坑金相检验形貌 为了分析汽包内表面焊缝处类似“裂纹”性缺陷产生的原因，我们在焊缝靠近母材侧，对缺陷进行了金相显微镜形貌分析。内表面材料金相组织形貌见图3所示。图3 内表面材料金相组织形貌 从图3中可以清晰看出“裂纹”缺陷均由点腐蚀凹坑和沟槽所致。其周围有“灰色区域”，明显有氧腐蚀的特征。 3.2 缺陷纵截面金相分析 为了进一步验证汽包内表面焊缝近母材侧，不是裂纹性缺陷，而是氧腐蚀所致，我们在“裂纹”处沿筒体纵截面切取试样，观察“裂纹”沿厚度方向的情况。如图4所示。从图4中，可以看出试样材料金相组织呈现带状分布，为铁素体珠光体，缺陷沿厚度方向呈现凹坑特征，并不象通常裂纹边缘呈现尖端

5、形状。且缺陷边缘存在明显的氧腐蚀特征。由此，再次证明了汽包内壁表面上存在着诸多的“裂纹”，是由点腐蚀形成的腐蚀凹坑及腐蚀沟槽。 4. 断口扫描电镜及能谱分析 为研究汽包内表面焊缝缺陷是由腐蚀引起的，并探究其腐蚀的根源，对其断口的微观形貌进行仔细观察。可以看出缺陷扩展边缘处，存在较多的腐蚀凹坑。在整个断口表面，覆盖着一层腐蚀产物。采用扫描电镜进行能谱分析，了解到该断口区域元素为O、Si、Fe三种元素，并无其他Na、S、C1等可引起碱脆或应力腐蚀开裂的元素存在。从能谱分析知道，该断口上氧的含量高达28.51%。 可见，汽包内表面焊缝近母材侧的许多凹坑和沟槽，是由富氧腐蚀而产生的。 5. 损坏原因分

6、析 根据上述监测结果，对常减压装置蒸汽发生器汽包内表面整圈环焊缝及热影响区的所谓“裂纹”缺陷形成原因分析如下： （1）汽包材质16MnR，化学成分合格，符合设备设计要求，金相组织正常。因而不是由于钢材质量不符要求造成的腐蚀缺陷。通过金相与扫描电镜分析，证实不可能是由于碱脆或机械开裂造成裂纹。 （2）远离焊缝的母材未发现点坑腐蚀缺陷，仅为均匀腐蚀，而腐蚀缺陷仅仅发生于焊缝及热影响区，因而造成腐蚀的主要因素是焊缝质量有问题。即汽包内表面焊缝余高过高、错口超标、焊后未进行打磨而造成表面粗糙不平，这样为氧腐蚀的发生创造了有利条件。此外，对16Mn钢而言，如焊接工艺控制与焊条选择不当，也可能造成Mn的偏

7、析，易产生贝氏体甚至马氏体，而且焊后残余应力未消除使焊后组织促进腐蚀倾向。焊缝中部分锰元素易溶于铁素体，部分与碳形成碳化物，如（FeMn)3C；部分形成非金属夹杂，如MnS或（MnFe)S与MnO。这些夹杂物往往存在于带状组织表面，即成为点腐蚀的成核与始发部位。 （3）汽包处于1800C较高温度的过热蒸汽和除氧水中，由于介质中仍含有超标的溶解氧，因而会造成氧去极化腐蚀，从能谱分析也证实：断口表面覆盖的腐蚀产物主要是铁的氧化物。电化学腐蚀反应式为：阳极 FeFe2+2e阴极 O2+H2O+2e2OH- Fe2+2OH-Fe(OH)2 Fe(OH)2+ O2+ H2OFe(OH)3 2Fe(OH)

8、3+Fe(OH)2Fe3O4+4H2O总反应式： 3Fe+2O2Fe3O4 生成的Fe3O4腐蚀产物是疏松的，在母材平滑表面上经冲刷易脱落，而在焊缝及热影响区有凹凸缺陷的表面上会沉积，沉积在凹坑沟槽内部的氧化铁锈垢也会因氧浓差电池发生垢下或缝隙腐蚀，使点腐蚀越来越严重，甚至使许多点腐蚀沟槽相连而形成了所谓“裂纹”。 （4）经氧腐蚀生成的三价铁的腐蚀产物铁锈也可作腐蚀去极化剂而促进腐蚀。反应式为：2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O阳极 FeFe2+2e阴极 Fe2O3.nH2O+2e2Fe(OH)2+2OH-+(n-3)H2O Fe2+2OH-Fe(OH)2 Fe(OH)2+ O2+ H2OF

9、e(OH)3 2Fe(OH)3+Fe(OH)2Fe3O4+4H2O总反应式：Fe+Fe2O3.nH2O+ O2Fe3O4+nH2O这里铁锈从三价铁还原为二价铁，经溶解氧再将二价铁变为三价铁即三价铁起了一个催化作用。 （5）由于除氧器进汽包的水中氧含量未达到小于等于0.1mg/L标准，则汽包处于高温有氧环境，发生氧去极化腐蚀，否则为氢去极化反应，生成的Fe3O4的膜致密坚牢，具有保护性。因此，对汽包水应严格脱氧以达到标准要求。氢去极化反应式：阳极 FeFe2+2e阴极 2H+2eH2 Fe2+2OH-Fe(OH)2 3Fe(OH)2Fe3O4+H2+2H2O总反应 3Fe+4H2OFe3O4+4

10、H2 综上所述，蒸汽发生器汽包内表面焊缝及热影响区失效是由于焊接质量及表面处理不过关，存在凹坑沟槽缺陷，为高温氧腐蚀创造条件。另外产生的氧化铁锈垢的沉积，又为垢下腐蚀及点坑腐蚀发展提供条件。 6. 结论 通过对汽包材料化学成份的分析，证明汽包材质为16MnR，符合原设计的材料要求。从内表面材料金相分析、缺陷断口微观形貌分析以及腐蚀产物能谱分析中，得出内表面的缺陷是由许多腐蚀凹坑沟槽所致，所谓“裂纹”是由这些腐蚀沟坑凹槽相连而成，且是由氧腐蚀引起的。 7. 措施和建议 在汽包备台制造时，严格执行压力容器安全技术监察规程和GB150-1998钢制压力容器中的规定，采用合理的焊接工艺，焊接时，内表面焊缝应与内壁吻合，并成形光滑，以避免引起腐蚀的产生。在制造过程中应由专