(2.79)--材控金属构件失效分析.ppt

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1、Q235B 钢含硫污水罐的腐蚀开裂失效分析失效案例简介 污水罐汽提装置主要用来处理来自各炼油装置的含硫含氨污水，将污水汽提后达到国家排放标准。污水汽提装置的原料污水罐主要用于将来自各炼油生产装置的含硫含氨污水在脱油脱气后进行沉降分离。原料水罐中含有大量的硫化物和氨，罐体出现泄漏后，会对环境及操作人员造成重大威胁。目前，大部分炼油厂的原料水罐常因焊缝热影响区裂纹而泄漏。案例简介：某炼油厂原料水罐侧壁发生开裂，开裂部位主要位于母材区，穿过2 道焊缝，长达2 m，开裂部位的罐体应力分布情况和水平不详，可能存在因焊接挠曲产生的周向拉应力。开裂的水罐是拱顶罐，其材质为Q235B，内壁采用防腐涂层防护，罐

2、内介质主要成分为水、硫化物、氨氮、轻质油，pH 在9.5 10.0 之间，工作温度为40。本文对原料水罐材料基体的组织、化学成分、力学性能、裂纹和断口的形貌以及腐蚀产物进行分析，并结合材料环境断裂失效理论，分析开裂原因。1.实验 对原料水罐中发生开裂的部位进行切割取样，观察裂缝宏观形貌，初步确认其裂纹特征。通过对开裂部位的金相组织分析、化学成分分析、夹杂物和力学性能分析，判断开裂水罐的材质性能是否发生劣化，及该材料材质是否合格。通过断口形貌、裂纹扩展、腐蚀产物成分分析等手段研究水罐开裂的性质与原因。其中化学成分分析在国家钢铁材料测试中心检测，金相组织、断口形貌观察采用扫描电子显微镜，材料力学性

3、能分析包括力学性能(金属常温拉伸试验，GB/T 2282002)和断裂韧性分析(夏比V 形缺口冲击试验，GB/T 2292007)2.结果与分析 裂缝附近粉末的化学成分(以质量分数计)为:C0.18%，Si 0.19%，Mn 0.40%，P 0.031%，S 0.029%，Cr 0.0093%，Ni 0.0071%，Cu 0.030%。经过与国家碳素结构钢标准GB/T 7001988 对比可知，材料材质在化学成分上为合格的Q235B。2.1材质性能分析 对原料水罐远离开裂部分及开裂部分附近的基体材质的力学性能进行测试，结果见表1，其延伸率()、屈服强度(s)、抗拉强度(b)以及V 形缺口试样夏

4、比冲击吸收功(AKV)基本没有变化。由此可以推断出，开裂部位的材质在服役过程中没有发生明显的材质劣化表1 原料水罐材质的力学性能2.结果与分析2.1材质性能分析 在原料水罐远离开裂部位及开裂部位分别切割取样并进行金相显微组织观察，形貌如图1 所示。可以看出，原料水罐的金相组织为铁素体加少量珠光体，在开裂部位附近还存在微观裂纹，且裂纹沿着晶界发展，裂纹发展末端出现分叉特征。根据裂纹的微观形貌可以判断该裂纹沿晶型应力腐蚀裂纹，同时也可以排除发生晶间腐蚀的可能。图1 金相显微组织2.结果与分析2.2开裂部位分析 原料水罐开裂部分的宏观形貌如图2 所示，裂纹萌生于水罐内壁，并在垂直方向优先发展，裂纹通

5、过扩展和聚合形成大裂缝，最终穿透壁厚导致泄漏。同时在裂缝周围还发现大量的未穿透裂纹。裂缝方向与焊缝方向垂直，可以排除焊缝热影响区导致的开裂。由图2 还可以看出，裂纹扩展过程中具有分叉结构，这是明显的应力腐蚀裂纹的特征。裂缝断面的微观形貌有助于判断开裂过程的特征，对分析开裂原因起到关键作用。截取的断面试样经过处理后进行SEM 观察，其断面微观形貌均一致。图3a 是其中一个裂缝断面的断口形貌放大图，断口凹凸不平，并且有一部分区域分布着大小不一的小孔洞。对该区域进行再一次放大观察，其结果如图3b和图3c 所示，裂缝断面微观形貌呈现沿晶型应力开裂特征。将视场移至中部，发现有一条沿晶型扩展的二次裂纹，如

6、图3d 所示。图2 原料水罐开裂部位的宏观形貌图3 断口的微观形貌2.结果与分析2.2开裂部位分析 由于穿透裂纹的断口在环境中存在时间比较长，其表面的腐蚀产物已经不能说明开裂原因，而未穿透裂纹及二次裂纹经打磨后仍能保留开裂腐蚀时的产物。为了能够辅助分析其开裂机制，对二次裂纹部位的腐蚀产物进行成分分析。对图1b 裂纹中填充的黑色物质进行EDS 能谱分析，如图4 所示。腐蚀产物元素成分(以质量分数计)为:C 4.68%，O 19.70%，S2.57%，Fe 73.05%。图4 未穿透裂纹内部腐蚀产物的EDS 能谱分析3.讨论 运行一年后，在污水罐罐顶附着一层约10 30mm 厚的浮垢，比较疏松，易

7、脱落，颜色为暗红色。这是因为罐内污水中含有大量的挥发性硫化物及氨氮，在污水罐罐顶积聚了大量H2S，NH3的溶液，最终形成湿硫化氢环境。在涂层失效后，这种环境溶液介质与基体接触，满足了发生电化学腐蚀的条件，并发生铁的阳极溶解。其机理如下:Fe+2OH-2eFe(OH)2O2+2H2O+4e4OH 由于罐体在运行过程中并未封闭，所以在罐顶气体环境中含有氧气，铁的阳极溶解反应产物Fe(OH)2在氧的作用下进一步氧化成FeOOH，即:Fe(OH)2+1/2O2FeOOH+H2O 由于FeOOH 不稳定，继续分解为FeO 和F2O3等物质，附着在涂层失效处形成暗红色覆盖层。该覆盖层阻挡了腐蚀产物及氧的扩

8、散，从而形成闭塞环境。在闭塞环境里，阳极溶解生成的Fe2+发生水解，即:Fe2+2H2O Fe(OH)2+2H+水解反应生成的H+使闭塞环境介质酸化，加剧了H2S 等诱发的局部腐蚀，其主要反应机理如下:H2SHS+H+S2+2H+Fe+2H+Fe2+H2Fe2+S2=FeS3.讨论 由水罐闭塞区域发生腐蚀的反应机理可以看出，电化学反应产生的氢原子一部分渗入到基体内，另一部分形成氢分子溢出。然而在基体表面不但覆盖有涂层，还有阳极溶解产生的腐蚀产物。这两层阻隔作用大大减少了H2的溢出，大部分氢原子渗入到基体内。在基体内晶界界面上存在大量的位错，使得氢原子在基体中的扩散相对容易，所以氢原子大部分积聚

9、在晶界上并结合成氢分子，最终形成氢鼓泡(HB)和微裂纹。这与图1 中观察到的沿晶型裂纹一致。由以上讨论可知，氢分子在晶界内部的积聚，必然形成一定的拉应力，这是发生应力腐蚀的必要条件。同时，在发生电化学腐蚀时形成的腐蚀产物与被腐蚀基体的体积膨胀也是不可忽视的应力来源。为了计算腐蚀产物诱发应力大小，建立腐蚀产物诱发应力模型，如图5 所示，该模型满足以下条件:1)被腐蚀基体和腐蚀产物均为球形，并且腐蚀发生在楔形裂纹中;2)不同腐蚀产物之间均为机械混合。图5 腐蚀产物诱发应力模型3.讨论 根据上述模型，假定原始被腐蚀基体的质量为1g，其中有x 转化为FeS，其他转化为FeOOH。设原始被腐蚀基体的半径

10、为r1，腐蚀后形成的腐蚀产物半径为r2。已知铁的密度是7.86 g/cm3，FeS 和FeOOH 的密度分别是4.84 g/cm3 和4.504 g/cm3。根据铁的质量守恒定律采用以下公式计算两种腐蚀产物的体积:式中:V1为被腐蚀基体的体积，V2为腐蚀产物的体积。由以上公式可以推导出:(r2/r1)3=2.773-0.221x3.讨论两种腐蚀产物之间的组分比x 值在0 1 之间，所以可以算出其最小形变量min值:根据虎克定律，其应变造成的拉应力不可忽视。如果发生在楔形裂纹中，拉应力在裂纹尖端还会导致应力集中，加剧微裂纹的扩展和断裂。研究发现,16Mn碳钢等在预拉应变量达到2%3%左右时发生断

11、裂。由此可知，应变量达到36%时，其造成的应力将大大提高其应力腐蚀敏感性，并促进微裂纹的扩展和断裂。此外，本失效分析并未排除原料水罐失效部位存在结构拉应力及其应力水平，如果其存在，会对开裂失效过程产生促进和协同作用。结合以上分析可知，原料水罐在工作时不断发生硫化氢等气体的挥发和水分的蒸发积聚在顶部，形成湿硫化氢环境。原料水罐罐顶涂层失效后，裸露的Q235B 在上述腐蚀环境作用下发生阳极溶解。同时，在罐顶附着的浮垢、腐蚀产物以及剥离涂层等共同形成闭塞环境。这种环境下阳极发生溶解，使得内部溶液被酸化，从而加剧了H2S 等诱发局部腐蚀的过程，在局部腐蚀内部由于腐蚀产物的楔入作用或宏观应力的作用导致裂纹萌生。在裂纹内部，腐蚀产物的楔入作用和环境酸化过程会进一步加剧，从而导致Q235B 在该环境中发生裂纹扩展，导致开裂破坏。4.结论 原料水罐材料为合格的Q235B 材料，该材料在湿硫化氢环境中发生硫化氢应力腐蚀开裂，其断裂模式为沿晶型开裂，开裂机制为氢致开裂。原料水罐基体发生腐蚀形成的腐蚀产物主要是FeS 和FeCO3，其最小形变量为36%，在涂层封闭形成的闭塞环境中形成一定的应力。