201107_PSpaw.pdf 14 Przegląd sPawalnictwa 7/2011 Jerzy Dobosiewicz Wojciech Brunné Przyczyny nieszczelności rurociągu wody amoniakalnej w obszarze połączeń spawanych causes of pipeline leakage ammonia water  near to welded joints Jerzy Dobosiewicz, Wojciech Brunné – Przed- siębiorstwo Usług Naukowo-Technicznych „Pro Novum”, katowice. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań przeprowadzo- nych w celu ustalenia przyczyn pękania rurociągu wody amoniakalnej wykonanego ze stali P235GN. Badania wyka- zały, że przyczyną powstawania pęknięć w pobliżu złączy spawanych jest korozja międzykrystaliczna na skutek dzia- łania środowiska agresywnego (siarczek żelazowy). Stwier- dzono, że dodatkową przyczyną mógł być brak podgrzewa- nia wstępnego i wyżarzającego połączeń spawanych. abstract The article presents the results of tests conducted to determine the causes of cracking of ammonia water pipe made of steel P235GN. Studies show that the cause of cracks near to welded joints is intergranular corrosion by the action of aggressive environment (iron sulfide). It is found that an additional reason could be the lack of prehe- ating and annealing of welded joints. Wstęp Po kilku latach eksploatacji w rurociągach od- notowano liczne uszkodzenia poprzeczne na po- wierzchni wewnętrznej wokół połączeń spawanych. Wykonywane naprawy przez spawanie nie dały po- zytywnych wyników. Pęknięcia miały charakter mię- dzyziarnowy i były wypełnione produktami korozji zawierającymi m.in. siarczek żelazawy FeS. Ruro- ciąg został wykonany ze stali niestopowej (konstruk- cyjnej) P235GH. Montaż i połączenia spawane wykonywała firma posiadająca uprawnienia UDT oraz zatwierdzoną in- strukcję technologiczną spawania WPS. Połączenia spawane wykonano na zimno bez wyżarzania odprę- żającego jak dla stali węglowej. Projektant rurociągu nie podał dodatkowych warunków spawania. Badania metalograficzne wykazały, że przyczyną uszkodzenia była korozja naprężeniowa. Warunki pracy Rurociągi wody amoniakalnej pracują w sposób ciągły. Powstająca w procesie kondensacji gazu kok- sowniczego woda zawiera duże ilości rozpuszczonych związków kwaśnych H2S, Co2 oprócz amoniaku oraz również lotne i nielotne związki amonowe, zawiesiny smół, olejów, fenole, benzol i inne związki smołowe. Dane techniczne rurociągów Parametry pracy Ciśnienie: – ciśnienie robocze pr = 1,0 MPa, – ciśnienie próbne pp = 1,43 MPa, – temperatura tr = 80°C. Wymiary: – kolana ø 108 x 6,30 mm, – prostki ø 60,3 x 3,6 mm, – prostki ø 114,3 x 4,0 mm. Środowisko korozyjne: Zgodnie z danymi projektowymi w wodzie pogazo- wej dopuszcza się maksymalne stężenie: 10 g/dm3 Cl– i 2 g/dm3 H2S. 15Przegląd sPawalnictwa 7/2011 Naprężenia Dokumentacja techniczna wymienia dwa źródła na- prężeń: – od wydłużeń: 60÷80% dopuszczalnego dla zastoso- wanej stali, co po przeliczeniu wg danych testowych dla Re = 254 MPa daje: (254 MPa/1,5) x 0,8 = 135 MPa – od ciśnienia: dla pr = 1 MPa wynoszą w zależności od wymiarów rur odpowiednio: – ø 108 x 6,30 mm => 8,5 MPa, – ø 114,3 x 4,0 mm => 9,0 MPa, – ø 60,3 x 3,6 mm => 8,3 MPa. W warunkach spawania wskazanych przez projek- tanta nie ma informacji dot. podgrzewania wstępnego oraz wyżarzania odprężającego, co wynika z gatunku materiału i grubości ścianki rur rurociągu. Charakter i umiejscowienie pęknięć Uszkodzenia w postaci pęknięć obwodowych wy- stępowały najczęściej na: – króćcach do pomiarów AkPiA (rys. 1 i 2), – spawanych kolanach segmentowych (rys. 3), – odcinkach prostych w strefie spoin kątowych, tzw. boczników (rys. 4). Początek pęknięć zlokalizowany był na powierzch- ni wewnętrznej w pobliżu połączeń spawanych lub pod nimi oraz przy spoinach połączeń kołnierzowych. Badania makroskopowe wykazały, że: – pęknięcia w rejonie spoin obwodowych występują w znacznej odległości od połączenia spawanego (rys. 5), – pęknięcia pod spoiną pachwinową bocznika umiejsco- wione są poza strefą wpływu ciepła (SWC) (rys. 6). Badania metalograficzne Badania metalograficzne wykonano na przekro- jach poprzecznych pęknięć oraz spoin. W wyniku badań stwierdzono, ze w rejonie wszystkich pęknięć struktura metalu jest ferrytyczno-perlityczna z wyraźną Rys. 1. Połączenie czołowe z kołnierzem Fig. 1. The butt joint with flange Rys. 2. obwodowe pęknięcia rurociągu od strony wewnętrznej w pobliżu spoin obwodowych czołowych (1) i pachwinowych (2) Fig. 2. Circumferential cracks on the inner side of the pipeline near the butt circumferential jo- ints (1) and fillet weld (2) Rys. 3. kolano segmentowe, pęknięcie w okolicy spoiny czołowej Fig. 3. knee segment, rupture near to a butt weld Rys. 4. Napoina pachwinowa bocznika do galwanicznego łączenia elementów rurociągu (a) i pęknięcia obwodowe pod bocznikiem (b). Fig. 4. Padding weld on the shunt to galvanic joining of elements of the pipeline (a) and circumferential cracks in a shunt (b) Rys. 5. Połączenie kołnierzowe – pęknięcia od strony wewnętrznej Fig. 5. Flange joint – cracks on the inside 2 b) 1 Rys. 6. Połączenie bocznika z rurą – pęknięcia od strony wewnętrznej Fig. 6. The joint of shunt and pipe – cracks on the inside a) a) 16 Przegląd sPawalnictwa 7/2011 Rys. 7. Fragment a z rys. 6, pow. 100 x Fig. 7. Fragment a z fig. 6, magn. 100 x Rys. 8. Pęknięcie przebiegające po granicach ziarn Fig. 8. Crack extending on the grain boundaries pasemkowatością (rys. 7), a pękanie ma charakter międzyziarnowy (rys. 8). Pomiary twardości Materiał miał twardość 110÷130 HV. Badania osadów Sprawdzono metodą punktową skład chemiczny osa- du pobranego z pęknięcia. W wyniku badania stwierdzo- no obecność znacznej ilości związków siarki (rys. 9). Badania wody amoniakalnej Badania wody amoniakalnej wykazały, że w czasie prowadzenia badań stężenie siarkowodoru nie prze- kroczyło 0,5 g/dm3. Rys. 9. Miejsca badań punktowych osadów w pęknięciach Fig. 9. Location of point of sediment in the cracks Podsumowanie Rurociąg został wykonany ze stali węglowej P235GN, a połączenie spawane wykonano bez pod- grzewania wstępnego i wyżarzania odprężającego zgodnie z uprawnieniami UDT – wykonawcy montażu dla tego gatunku stali. Występujące uszkodzenia miały charakter po- przeczny w stosunku do głównej osi rurociągu i brały swój początek na powierzchni wewnętrznej w pobli- żu spoin, szczególnie pachwinowych, łączących ele- menty „obejść” galwanicznych z powierzchnią rury. Wszystkie pęknięcia przebiegały między ziarnami (charakter międzykrystaliczny) i były powodowane ko- rozją międzykrystaliczną, która występuje w przypadku: – działania naprężeń rozciągających (własnych lub przyłożonych), – obecności środowiska agresywnego (np. H2S), – materiału podatnego na działanie H2S (woda amoniakalna zawierająca H2S). W rurociągach wykonanych ze stali węglowych po niezbyt długim okresie eksploatacji często wystę- pują pęknięcia międzykrystaliczne. Jest to pękanie naprężeniowe, siarczkowe pojawiające się w stre- fach SWC lub w ich pobliżu. W stali o strukturze fer- rytyczno-perlitycznej o stosunkowo niskiej twardości często pojawia się również w materiale rodzimym. Gdy twardość obszaru złącza spawanego lub w miejscu spoin przekracza dopuszczalną wartość 250 HV, należy zgodnie z PN-EN ISo 15156-2:2008 spawany element poddać wyżarzaniu odprężającemu. Przyczyną uszkodzenia było prawdopodobnie przekraczanie dopuszczalnej wartości stężenia H2S w wodzie amoniakalnej, co mogło mieć miejsce w czasie rozruchu urządzenia lub okresowo w cza- sie eksploatacji. Dodatkowym czynnikiem sprzyjają- cym inicjacji pękania był sposób montażu (brak pod- grzewania wstępnego i wyżarzania odprężającego połączeń spawanych). Literatura [1] Uhlig H.: korozja i jej zapobieganie, Warszawa, WNT 1976. [2] Tasak E.: Pękanie korozyjne stali niestopowych i stopowych – problemy uszkodzeń korozyjnych instalacji w przemyśle chemicznym. Seminarium naukowo-techniczne UDT oddz. kraków, 06.2010.