304H為較常用的奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分與304極為相近，但其碳含量比304略高，有較為良好的耐高溫性能，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2。某苯乙烯裝置換熱器出口管道上6支不銹鋼管材質(zhì)全部為304H．在投運后的4個月即出現(xiàn)彎頭部位焊接接頭開裂，裂紋位于焊接接頭中央，最初采用了帶壓堵漏的方式進(jìn)行了封堵，但在隨后的使用過程中，不斷出現(xiàn)開裂或變形的問題．我公司承擔(dān)苯乙烯裝置的日常檢維修工作，需要對其開裂原因進(jìn)行探究，并提出相應(yīng)解決方法．
1現(xiàn)場情況說明
換熱器35-E-3002出口管線上6根支管，規(guī)格Q356×6.35mm，介質(zhì)為過熱蒸汽，操作壓力0.046MPa．操作溫度588-600℃，支管上部有1臺DN350的切斷閥和l臺DN200*250的安全閥，立管未設(shè)支撐，見圖1、圖2，圖3。304H不銹鋼管開裂情況如下：
(1) 2005年7月19日發(fā)現(xiàn)其中一根304H不銹鋼管焊接接頭開裂．裂紋位于焊接接頭中心，當(dāng)時采用帶壓堵漏．
(2) 2006年10月裝置停車檢修，對接管的焊接接頭進(jìn)行滲透(PT)檢查，發(fā)現(xiàn)有4個接頭存在裂紋，進(jìn)行了焊接修補。同年11月10日，裝置檢修后運行約10d．再次發(fā)現(xiàn)裂紋，當(dāng)時采取的辦法也是帶壓堵漏，而該部位在檢修期間經(jīng)著色是合格的．
(3) 2008年5月檢修，發(fā)現(xiàn)6根304H不銹鋼管都存在變形，其中有5根存在裂紋，當(dāng)時對缺陷部位進(jìn)行了焊接修復(fù)．
2、304H不銹鋼管裂紋位置分析
304H不銹鋼管焊接接頭和熱影響區(qū)普遍存在裂紋，母材表面也出現(xiàn)了細(xì)小的表面裂紋，立管整體出現(xiàn)蠕脹變形：
06年10月檢查發(fā)現(xiàn)，有4個接管存在裂紋，裂紋主要位于彎頭與直管焊接接頭附近，只有2條裂紋處于焊接接頭中央，見圖4．其余大部分位于熱影響區(qū)，見圖5t管道母材上也有少量表而裂紋。
08年5月份檢查發(fā)現(xiàn)6根管線中5根存在裂紋，相比2006年裂紋更多更深，裂紋主要集中在熱影響區(qū)，局部母材也出現(xiàn)貫穿裂紋，彎頭與304H不銹鋼管的焊接接頭也出現(xiàn)了裂紋。
3金屬失效原因分析
金屬材料的開裂從焊接角度分析有：焊接材料選用不正確．工藝參數(shù)不合理，線能量過大焊接接頭有未熔合，未焊透、夾渣、咬邊等缺陷．焊接接頭存在較大應(yīng)力等原因．而從使用工況分析有：金屬疲勞引起的塑性變形損傷．高溫狀態(tài)下材料性能發(fā)生變化而引起的蠕變破壞．腐蝕介質(zhì)及拉應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力開裂等原因．
從焊接角度分析
通過查閱廠家的最初施工資料，發(fā)現(xiàn)該處焊縫的焊接材料選用的是ER308+A102．是常用于304不銹鋼的焊接材料，在材質(zhì)為304H的該熱力管道上進(jìn)行施焊顯然選材不匹配．進(jìn)一步查閱該批焊材質(zhì)保書，其碳含量均小于0.04%，再加上焊接時元素的燒損，晶粒的粗大，焊接殘余應(yīng)力的存在等，便確定了焊冀及其熱影響區(qū)在如此高溫運行時其機械性能本身就劣于母材，再加上所受的剪切應(yīng)力，所以在焊縫位置發(fā)生蠕變及應(yīng)力松弛便早于母材．
從使用工況分析
由于該管線介質(zhì)為蒸汽，不存在腐蝕性介質(zhì)，也不具有晶問腐蝕形成的條件，不具備出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的條件，所以可以判斷此處裂紋非應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致．
此處安全閥支管常態(tài)下承受的是靜載，操作溫度變化很小，所以其溫度及受力無交替性或周期性變化，也不具備出現(xiàn)金屬疲勞破壞的條件，因此金屬疲勞造成的破壞也可以排除在外．
高溫狀況下，金屬材料在恒定外力作用下，可以產(chǎn)生緩慢而持久的形變，我們稱之為蠕變．在高溫和應(yīng)力作用下，所有金屬都會產(chǎn)生蠕變，即發(fā)生永久性變形，最終會導(dǎo)致金屬斷裂．載荷和溫度越高，斷裂發(fā)生的就越快．
4對高溫狀況下金屬材料蠕變的探討
受力分析
安全閥放空管道操作溫度約588 - 600℃，其主要受力狀態(tài)一個是管道系統(tǒng)本身的內(nèi)壓，一個是管道及閥門管件的自重，由于其內(nèi)壓受力較小并且對管道失效沒起主導(dǎo)作用，本次討論暫不考慮．
安全閥支線45°彎頭部位可以簡化地看作是一個薄壁圓筒形的受力構(gòu)件，主要承受來自直管，大小頭，法蘭，切斷閥，安全閥的重量G匣過查表估算約19.6kN)．并假設(shè)全部重量都作用在立管和彎頭部位，則可以通過以下分析得出其受到的彎曲正應(yīng)力。
金屬蠕滑變形中絕大部分為塑性變形，也可以看作是一種緩慢的金屬流動．對于長期工作在高溫狀態(tài)下的304H不銹鋼管其焊接接頭位置的應(yīng)力釋放會表現(xiàn)為應(yīng)力松弛．由圖12金屬蠕變曲線表明，金屬的蠕變變形量是隨著時間的累計而增加的，其蟠變速率先為減速階段，然后為恒速階段，最后到加速階段直至發(fā)生斷裂．這也可以解釋為什么隨著時間的增加．304H不銹鋼管的開裂及變形狀況會越來越大，越來越明顯，并且這種狀態(tài)集中出現(xiàn)在2008年．
通過圖13可以看出，對于外徑356mm，壁厚6.35mm的304不銹鋼其使用溫度極限為1120'F左右，基本已經(jīng)接近其操作溫度．所以從此也可以基本判定，降低半徑厚度之比，便可以適當(dāng)提高材料的使用溫度極限．比如將母材厚度增加．
奧氏體不銹鋼的物理特性是熱導(dǎo)率小、線膨脹系數(shù)大，其每條支線相當(dāng)于兩端均受約束，一旦在高溫狀態(tài)并且受力的情況下其應(yīng)力導(dǎo)致的塑性變形難以在軸向釋放，而變成向四周徑向范圍內(nèi)變形，根據(jù)管線規(guī)格表，管線為DN350的有縫管，外徑為356mm，管線標(biāo)準(zhǔn)周長為1118.4mm，根據(jù)現(xiàn)場測量所有管線外徑測量結(jié)果基本都發(fā)生變大，管線整體發(fā)生蠕脹．
臭氏體不銹鋼焊接接頭在高溫狀態(tài)下會析出口相而導(dǎo)致焊接接頭發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變，立管在高溫狀態(tài)運行時，由于其外部沒有保溫層，會有少量蒸汽凝液順管壁內(nèi)側(cè)凝集下淌，并造成管壁熱應(yīng)力的分布不勻．這些因素也會對管道的變形開裂起到一定推波助瀾的作用．
綜上所述，由于304H管線的管徑／壁厚之比較大．DN350的管道設(shè)計壁厚只有6. 35mm，雖然管線壓力不高，但是每根管線都撐著一個大的切斷閥和安全閥而沒有支撐．在如此大的載荷和高溫作用下，并且在其他不利因素共同作用下造成管線發(fā)生金屬蠕變，最終引起焊接接頭開裂，母材變形腫脹，以致管子凹陷和彎曲．
5結(jié)論
造成304H不銹鋼管開裂的根本原因是管道焊材選用不正確，立管自身無支撐支架，在高溫狀態(tài)及負(fù)載的共同作用下導(dǎo)致了蠕變的發(fā)生，再加上高溫狀態(tài)下奧氏體焊接接頭發(fā)生的口相脆化及蒸汽凝液引發(fā)的熱應(yīng)力變形等一塊促進(jìn)了金屬的變形開裂，
針對以上情況，在2008年檢修期間對該6條304H熱力管道彎頭與直管段全部做了更換，焊絲選用ER308H，焊條選用E308H．焊接時使用小線能量，并保證層間溫度低于100℃，在立管部位增設(shè)了彈簧支架，立管進(jìn)行了保溫措施．
從管道改造至今一年多來該6條304H不銹鋼管運行正常，由此表明對應(yīng)304H不銹鋼管開裂及變形所采取的各項措施是比較合理和有效的．