奧氏體不銹鋼管在柴油介質(zhì)中的失效分析

汪元德

(蘭州石化公司化肥廠)

奧氏體不銹鋼管在柴油介質(zhì)中的失效分析

汪元德*

(蘭州石化公司化肥廠)

為查明柴油加氫裝置中一段φ14mm、壁厚2mm 的S31668(316)不銹鋼壓力管道的泄漏原因,對(duì)開(kāi)裂失效的不銹鋼管進(jìn)行了檢測(cè)分析。結(jié)果表明:不銹鋼管泄漏的主要原因是柴油中硫、氯含量較高，工作溫度又恰好在應(yīng)力腐蝕敏感溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)致不銹鋼管發(fā)生了由內(nèi)向外的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。此外，保溫層中的Cl-吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質(zhì)，產(chǎn)生由外向內(nèi)擴(kuò)展的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。內(nèi)外壁腐蝕性介質(zhì)和應(yīng)力的雙重作用導(dǎo)致不銹鋼管的開(kāi)裂。

奧氏體不銹鋼管 柴油 應(yīng)力腐蝕 開(kāi)裂

某石化公司柴油加氫裝置的一段奧氏體不銹鋼壓力管道，在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生多處泄漏，在經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊修復(fù)處理后，焊接部位仍頻發(fā)泄漏，并且泄漏又在新的部位發(fā)生。管內(nèi)介質(zhì)為柴油，操作壓力為9.0MPa，操作溫度約60℃。不銹鋼管的外部有保溫層。該不銹鋼管發(fā)生泄漏事故時(shí)， 投入運(yùn)行不到兩年。筆者對(duì)不銹鋼管泄漏部位和未泄漏部位分別取樣分析，探討了不銹鋼管泄漏的產(chǎn)生原因。

1 試驗(yàn)與分析

1.1宏觀檢查

截取發(fā)生泄漏的不銹鋼管1 200mm，其直徑為φ14mm，壁厚為2mm。補(bǔ)焊后宏觀形貌如圖1所示。可見(jiàn)，補(bǔ)焊區(qū)藥皮沒(méi)有清理干凈，有表面氣孔，且焊接成型不良。外壁存在腐蝕產(chǎn)物和銹斑，并且有劃傷的痕跡；內(nèi)壁局部有淺黑色腐蝕產(chǎn)物斑痕。對(duì)不銹鋼管的外壁進(jìn)行滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在一條表面開(kāi)口裂紋，如圖2所示。

圖1 補(bǔ)焊后宏觀形貌及金相取樣部位

圖2 PT檢測(cè)裂紋形貌及金相取樣部位

1.2化學(xué)成分

采用德國(guó)SPECTROLAB直讀光譜儀對(duì)不銹鋼管的材料進(jìn)行了光譜分析，結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出，不銹鋼管化學(xué)成分符合GB/T 14976-2012對(duì)S31668(316)不銹鋼的要求。

1.3力學(xué)性能

在不銹鋼管完好部位取樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。不銹鋼管的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均符合GB/T 14976-2012對(duì)S31668的要求。

表1 不銹鋼管的化學(xué)成分 wt%

表2 不銹鋼管的力學(xué)性能

1.4鐵素體測(cè)量

鐵素體含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3(測(cè)6組數(shù)據(jù)，取最大值和平均值)，補(bǔ)焊區(qū)的鐵素體含量平均值是3.75%，不銹鋼管的補(bǔ)焊區(qū)鐵素體含量明顯高于熱影響區(qū)和基體的含量，補(bǔ)焊區(qū)鐵素體含量的增加降低了材料的耐腐蝕性能。

表3 鐵素體含量測(cè)量結(jié)果 %

1.5金相檢驗(yàn)

補(bǔ)焊區(qū)金相樣品1的組織為奧氏體+δ鐵素體(圖3)，存在由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展的裂紋，裂紋在補(bǔ)焊區(qū)內(nèi)。補(bǔ)焊區(qū)域產(chǎn)生裂紋，說(shuō)明補(bǔ)焊對(duì)不銹鋼管沒(méi)有起到修復(fù)作用。

在不銹鋼管裂紋附近取金相樣品2的未浸蝕形貌如圖4所示，存在由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展的樹(shù)枝狀裂紋。浸蝕后的金相組織如圖5所示，金相組織為奧氏體+少量鐵素體，裂紋貫穿于整個(gè)橫截面，穿晶形態(tài)更加明顯，具有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的典型特點(diǎn)。

圖3 金相樣品1補(bǔ)焊區(qū)徑向截面組織 ×100

圖4 金相樣品2未浸蝕徑向裂紋形貌

圖5 金相樣品2浸蝕后組織與裂紋形貌

1.6斷口掃描與能譜分析

內(nèi)壁腐蝕形貌如圖6所示，由于介質(zhì)的作用，呈現(xiàn)均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、溝槽狀腐蝕和微裂紋的形態(tài)。外壁形貌如圖7所示，宏觀劃傷處存在大量腐蝕產(chǎn)物。

金相樣品2沿裂紋打開(kāi)后的宏觀形貌如圖8a所示；近內(nèi)壁區(qū)呈現(xiàn)河流狀花樣，為典型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特點(diǎn)(圖8b)；中間區(qū)為羽毛狀花樣(圖8c)；近外壁區(qū)存在韌窩，為塑性斷裂區(qū)(圖8d)。該規(guī)律說(shuō)明由于介質(zhì)原因，不銹鋼管由內(nèi)壁向外壁呈脆性遞減趨勢(shì)。

圖6 不銹鋼管內(nèi)壁形貌

圖7 不銹鋼管外壁形貌

能譜分析結(jié)果顯示內(nèi)壁有硫、氯存在；靠近內(nèi)壁斷口硫、氯含量非常高，硫含量達(dá)到13.4 wt%，氯含量達(dá)到2.29wt%；外壁硫、氯含量介于內(nèi)壁和靠近內(nèi)壁斷口之間。能譜分析表明裂紋主要是由內(nèi)向外擴(kuò)展的Cl-應(yīng)力腐蝕裂紋，也存在由外向內(nèi)擴(kuò)展的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

圖8 斷口形貌

2 分析結(jié)果討論

眾所周知, 不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕需要3個(gè)最基本的條件, 即敏感的合金(材料因素)、特定的介質(zhì)(環(huán)境因素)和拉伸應(yīng)力(力學(xué)因素)[1]。

不銹鋼管選用的材料為S31668(316)，對(duì)應(yīng)我國(guó)的022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼。根據(jù)化學(xué)成分分析可知，該不銹鋼管選用材料的化學(xué)成分符合S31668(316)的要求，是氯化物和硫化物敏感合金材料。能夠引起 Cr-Ni奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)很多，一般來(lái)說(shuō), 氯化物的影響最大；硫化氫水溶液、連多硫酸也是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)[2,3]。不銹鋼管的介質(zhì)(柴油)中含有大量氯化物以及硫化物，符合不銹鋼腐蝕特定介質(zhì)(環(huán)境因素)；不銹鋼管外壁有保溫層，保溫層中含有一定的氯化物，保溫層破損后，吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質(zhì)，也符合不銹鋼腐蝕特定介質(zhì)(環(huán)境因素)。不銹鋼管道的操作壓力為9.0MPa，受到環(huán)向拉應(yīng)力作用，符合不銹鋼腐蝕力學(xué)性能因素。

根據(jù)金相顯微觀察，裂紋貫穿整個(gè)管壁，沿厚度方向由內(nèi)向外擴(kuò)展，呈現(xiàn)樹(shù)枝狀，既有主干，又有分枝，裂紋以穿晶擴(kuò)展為主。補(bǔ)焊區(qū)域也產(chǎn)生了裂紋，沿厚度方向由外向內(nèi)擴(kuò)展。

裂紋掃描電鏡觀察表明，裂紋以穿晶形式擴(kuò)展并帶有分叉，微觀斷口形貌具有解理或準(zhǔn)解理特征，可觀察到大量的河流狀花樣、羽毛狀花樣和韌窩形貌，斷口上可見(jiàn)明顯的二次裂紋。

不銹鋼管能譜分析表明，靠近內(nèi)壁斷口硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)13.4%，氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)2.29%，外壁硫、氯含量高于內(nèi)壁。介質(zhì)中的氯化物和硫化物對(duì)不銹鋼管的不斷腐蝕，形成了由內(nèi)向外擴(kuò)展的裂紋；外壁保溫層中的氯吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質(zhì)，對(duì)不銹鋼管不斷腐蝕，補(bǔ)焊后，焊接部位的工作應(yīng)力殘余應(yīng)力降低了材料的抗腐蝕能力，在氯的作用下產(chǎn)生由外向內(nèi)擴(kuò)展的裂紋。最終在內(nèi)外壁不利因素的雙重作用下，導(dǎo)致不銹鋼管的開(kāi)裂失效。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)分析可知S31688(316)不銹鋼管泄漏原因?yàn)椴裼椭辛颉⒙群枯^高，工作溫度又恰好在應(yīng)力腐蝕敏感溫度范圍內(nèi)，使不銹鋼管發(fā)生由內(nèi)向外的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；保溫層中含有的Cl-吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質(zhì)，產(chǎn)生由外向內(nèi)擴(kuò)展的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；在內(nèi)外壁的腐蝕性介質(zhì)及應(yīng)力的雙重作用下，導(dǎo)致不銹鋼管的開(kāi)裂失效。

[1] 陸世英,王欣增,李丕鐘，等.不銹鋼應(yīng)力腐蝕事故分析與耐應(yīng)力腐蝕不銹鋼[M].北京: 原子能出版社,1985：56.

[2] 孫濤，王齊紅，王海平，等. 不銹鋼換熱管U形部位開(kāi)裂分析[J].化工機(jī)械，2016,43(3)：416～420.

[3] 馬小強(qiáng). 常減壓蒸餾裝置管道腐蝕失效分析[J].化工機(jī)械，2016,43(4)：583～586.

SHI Jian-lana,ZHANG Wei-yab, LUO Yunb,JING You-haib

(a.CollegeofElectromechanicalEngineering; b.CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Having ANSYS software based to investigate both creep damage and rupture of the nickel-based plate’s brazing joints was implemented, including the prediction of creep life and having residual stress incurred by the fabrication process, the thermal stress in application and the mechanical stress considered and FORTRAN language employed as well as the model based to compile subroutine for the creep damage calculation and to evaluate influences of different joints on both residual stress and creep damage. The results show that, residual stress can be seen at discontinuous structures; and the creep damages accumulated dramatically can accelerate crack initiation and rupture and increasing the tangential overlap area can prolong the joint’s life.

joint form, brazing, creep damage, finite element

*汪元德，男，1966年9月生，高級(jí)工程師，設(shè)備副總工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ053.2

B

0254-6094(2016)05-0689-04

2016-06-03)

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《輕工機(jī)械》2017年征訂啟事

《輕工機(jī)械》雜志(刊號(hào)：CN 33-1180/TH , ISSN 1005-2895)，創(chuàng)刊于1983年，由中國(guó)輕工機(jī)械協(xié)會(huì)、中國(guó)聯(lián)合裝備集團(tuán)有限公司與輕工業(yè)杭州機(jī)電設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合主辦，是一份在國(guó)內(nèi)有較高影響力、歷史悠久的輕工機(jī)械領(lǐng)域的專業(yè)性科技期刊。以報(bào)道輕工機(jī)械、自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)電一體化、工藝設(shè)計(jì)及其應(yīng)用為特色。

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