304H为较常用的奥氏体不锈钢，化学成分与304极为相近，但其碳含量比304略高，有较为良好的耐高温性能，其化学成分及力学性能见表1、表2。某苯乙烯装置换热器出口管道上6支不锈钢管材质全部为304H．在投运后的4个月即出现弯头部位焊接接头开裂，裂纹位于焊接接头中央，最初采用了带压堵漏的方式进行了封堵，但在随后的使用过程中，不断出现开裂或变形的问题．我公司承担苯乙烯装置的日常检维修工作，需要对其开裂原因进行探究，并提出相应解决方法．

1现场情况说明

换热器35-E-3002出口管线上6根支管，规格Q356×6.35mm，介质为过热蒸汽，操作压力0.046MPa．操作温度588-600℃，支管上部有1台DN350的切断阀和l台DN200*250的安全阀，立管未设支撑，见图1、图2，图3。304H不锈钢管开裂情况如下：

(1) 2005年7月19日发现其中一根304H不锈钢管焊接接头开裂．裂纹位于焊接接头中心，当时采用带压堵漏．

(2) 2006年10月装置停车检修，对接管的焊接接头进行渗透(PT)检查，发现有4个接头存在裂纹，进行了焊接修补。同年11月10日，装置检修后运行约10d．再次发现裂纹，当时采取的办法也是带压堵漏，而该部位在检修期间经着色是合格的．

(3) 2008年5月检修，发现6根304H不锈钢管都存在变形，其中有5根存在裂纹，当时对缺陷部位进行了焊接修复．

2、304H不锈钢管裂纹位置分析

304H不锈钢管焊接接头和热影响区普遍存在裂纹，母材表面也出现了细小的表面裂纹，立管整体出现蠕胀变形：

06年10月检查发现，有4个接管存在裂纹，裂纹主要位于弯头与直管焊接接头附近，只有2条裂纹处于焊接接头中央，见图4．其余大部分位于热影响区，见图5t管道母材上也有少量表而裂纹。

08年5月份检查发现6根管线中5根存在裂纹，相比2006年裂纹更多更深，裂纹主要集中在热影响区，局部母材也出现贯穿裂纹，弯头与304H不锈钢管的焊接接头也出现了裂纹。

3金属失效原因分析

金属材料的开裂从焊接角度分析有：焊接材料选用不正确．工艺参数不合理，线能量过大焊接接头有未熔合，未焊透、夹渣、咬边等缺陷．焊接接头存在较大应力等原因．而从使用工况分析有：金属疲劳引起的塑性变形损伤．高温状态下材料性能发生变化而引起的蠕变破坏．腐蚀介质及拉应力状态下的应力开裂等原因．

从焊接角度分析

通过查阅厂家的最初施工资料，发现该处焊缝的焊接材料选用的是ER308+A102．是常用于304不锈钢的焊接材料，在材质为304H的该热力管道上进行施焊显然选材不匹配．进一步查阅该批焊材质保书，其碳含量均小于0.04%，再加上焊接时元素的烧损，晶粒的粗大，焊接残余应力的存在等，便确定了焊冀及其热影响区在如此高温运行时其机械性能本身就劣于母材，再加上所受的剪切应力，所以在焊缝位置发生蠕变及应力松弛便早于母材．

从使用工况分析

由于该管线介质为蒸汽，不存在腐蚀性介质，也不具有晶问腐蚀形成的条件，不具备出现应力腐蚀开裂的条件，所以可以判断此处裂纹非应力腐蚀导致．

此处安全阀支管常态下承受的是静载，操作温度变化很小，所以其温度及受力无交替性或周期性变化，也不具备出现金属疲劳破坏的条件，因此金属疲劳造成的破坏也可以排除在外．

高温状况下，金属材料在恒定外力作用下，可以产生缓慢而持久的形变，我们称之为蠕变．在高温和应力作用下，所有金属都会产生蠕变，即发生永久性变形，最终会导致金属断裂．载荷和温度越高，断裂发生的就越快．

4对高温状况下金属材料蠕变的探讨

受力分析

安全阀放空管道操作温度约588 - 600℃，其主要受力状态一个是管道系统本身的内压，一个是管道及阀门管件的自重，由于其内压受力较小并且对管道失效没起主导作用，本次讨论暂不考虑．

安全阀支线45°弯头部位可以简化地看作是一个薄壁圆筒形的受力构件，主要承受来自直管，大小头，法兰，切断阀，安全阀的重量G匣过查表估算约19.6kN)．并假设全部重量都作用在立管和弯头部位，则可以通过以下分析得出其受到的弯曲正应力。

金属蠕滑变形中绝大部分为塑性变形，也可以看作是一种缓慢的金属流动．对于长期工作在高温状态下的304H不锈钢管其焊接接头位置的应力释放会表现为应力松弛．由图12金属蠕变曲线表明，金属的蠕变变形量是随着时间的累计而增加的，其蟠变速率先为减速阶段，然后为恒速阶段，最后到加速阶段直至发生断裂．这也可以解释为什么随着时间的增加．304H不锈钢管的开裂及变形状况会越来越大，越来越明显，并且这种状态集中出现在2008年．

通过图13可以看出，对于外径356mm，壁厚6.35mm的304不锈钢其使用温度极限为1120'F左右，基本已经接近其操作温度．所以从此也可以基本判定，降低半径厚度之比，便可以适当提高材料的使用温度极限．比如将母材厚度增加．

奥氏体不锈钢的物理特性是热导率小、线膨胀系数大，其每条支线相当于两端均受约束，一旦在高温状态并且受力的情况下其应力导致的塑性变形难以在轴向释放，而变成向四周径向范围内变形，根据管线规格表，管线为DN350的有缝管，外径为356mm，管线标准周长为1118.4mm，根据现场测量所有管线外径测量结果基本都发生变大，管线整体发生蠕胀．

臭氏体不锈钢焊接接头在高温状态下会析出口相而导致焊接接头发生脆性转变，立管在高温状态运行时，由于其外部没有保温层，会有少量蒸汽凝液顺管壁内侧凝集下淌，并造成管壁热应力的分布不匀．这些因素也会对管道的变形开裂起到一定推波助澜的作用．

综上所述，由于304H管线的管径／壁厚之比较大．DN350的管道设计壁厚只有6. 35mm，虽然管线压力不高，但是每根管线都撑着一个大的切断阀和安全阀而没有支撑．在如此大的载荷和高温作用下，并且在其他不利因素共同作用下造成管线发生金属蠕变，最终引起焊接接头开裂，母材变形肿胀，以致管子凹陷和弯曲．

5结论

造成304H不锈钢管开裂的根本原因是管道焊材选用不正确，立管自身无支撑支架，在高温状态及负载的共同作用下导致了蠕变的发生，再加上高温状态下奥氏体焊接接头发生的口相脆化及蒸汽凝液引发的热应力变形等一块促进了金属的变形开裂，

针对以上情况，在2008年检修期间对该6条304H热力管道弯头与直管段全部做了更换，焊丝选用ER308H，焊条选用E308H．焊接时使用小线能量，并保证层间温度低于100℃，在立管部位增设了弹簧支架，立管进行了保温措施．

从管道改造至今一年多来该6条304H不锈钢管运行正常，由此表明对应304H不锈钢管开裂及变形所采取的各项措施是比较合理和有效的．