白油加氫管線0Cr18Ni10Ti法蘭開裂失效分析①

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(1.中國石油化工股份有限公司 金陵分公司，江蘇 南京 210033；2.南京金昂科技有限公司，江蘇 南京 210033；3.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院，江蘇 南京 210019)

白油是經(jīng)過深度加工后無色、無臭且無腐蝕性的特種礦物油，屬于潤滑油餾分，具有良好的化學惰性及優(yōu)良的光熱安定性，在工業(yè)、食品、醫(yī)藥等行業(yè)用途廣泛。白油的生產(chǎn)工藝主要分為磺化法、溶劑萃取法、烯烴聚合法以及加氫法[1-2]。某石化公司15萬t/a白油生產(chǎn)裝置以加氫裂化尾油為原料，采用異構(gòu)脫蠟—加氫補充精制工藝生產(chǎn)食品級白油。2016年裝置開車時，加氫管線多個0Cr18Ni10Ti不銹鋼法蘭處發(fā)生泄漏，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)法蘭頸部存在細微貫穿裂紋。為保障裝置生產(chǎn)安全，防范類似故障再次發(fā)生，通過化學成分分析、硬度測試、金相組織分析、斷口形貌掃描電鏡(SEM)觀察和能譜分析等檢測試驗，分析了加氫管線法蘭開裂的原因，并提出了預防措施。

1 法蘭運行工況

加氫管線于2000年投用，工作壓力1.8 MPa，工作溫度60 ℃，工作介質(zhì)為混氫(氫氣純度90%)，管線外包裹巖棉保溫層。法蘭為0Cr18Ni10Ti不銹鋼鍛件經(jīng)固溶處理之后機加工定型產(chǎn)品，產(chǎn)品標準為JB 4728—2000《壓力容器用不銹鋼鍛件》[3]。

2 法蘭開裂檢測

2.1 宏觀分析與取樣情況

開裂法蘭宏觀形貌及取樣部位見圖1。從圖1中可以明顯看出法蘭頸部外表面存在多條裂紋，其走向近似環(huán)向且間隙較大，部分裂紋已貫穿至內(nèi)表面，但其內(nèi)表面尺寸和間隙較外表面尺寸更小，說明裂紋是由法蘭頸外表面向內(nèi)表面擴展。法蘭盤部分則未發(fā)現(xiàn)裂紋。分別在法蘭盤及法蘭頸裂紋部位線切割取樣，編號為1#～4#(圖1)。

圖1 開裂法蘭宏觀形貌及取樣部位

2.2 化學成分分析

依據(jù)GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》[4]，采用牛津FOUNDRY-MASTER固定式全譜直讀光譜儀檢測1#試樣的化學成分， 結(jié)果見表1。從表1

表1 1#試樣化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

可以看出，1#試樣中C、Mn元素質(zhì)量分數(shù)偏高，Cr、Ni、Ti元素質(zhì)量分數(shù)偏低，不符合JB 4728—2000中對0Cr18Ni10Ti鍛件用鋼的化學成分要求。

2.3 硬度測試

依據(jù)GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》[5]，采用TH608型數(shù)顯布氏硬度計測試法蘭盤表面宏觀硬度，測得硬度值分別為204 HBW、205 HBW、208 HBW，均超出了JB 4728—2000中規(guī)定的0Cr18Ni10Ti鍛件硬度范圍(139～187 HBW)。

2.4 金相組織觀察

2#、3#試樣在10%(質(zhì)量分數(shù))草酸溶液中電解侵蝕之后的橫截面金相組織見圖2。從圖2中可以看出，試樣材料組織為奧氏體組織，晶粒內(nèi)和晶界處分布著大量夾雜物。進一步對3#試樣放大1 000倍觀察，發(fā)現(xiàn)晶界處存在硬質(zhì)顆粒和大量析出相(圖3)。

圖2 不同試樣橫截面金相組織(100×)

圖3 3#試樣晶界處的析出相和硬質(zhì)顆粒(1 000×)

3#試樣橫截面裂紋形貌見圖4。從圖4可以看出，裂紋主干、分支明顯，尖端銳利，具有顯著的沿晶開裂特征。

2.5 SEM形貌觀察及能譜分析

在QUANTA200型掃描電鏡下觀察3#金相試樣，晶界析出物和硬質(zhì)顆粒更為明顯(圖5)，采用牛津能譜儀測試其成分，結(jié)果見表2。從表2看出，晶界析出物中含有Cr、C、Mn、Ni元素，其中Cr元素質(zhì)量分數(shù)達29.50%；硬質(zhì)顆粒中含有Ti、Cr、N、C元素，其中Ti元素質(zhì)量分數(shù)高達68.99%。

圖4 3#試樣橫截面裂紋形貌(100×)

圖5 3#金相試樣掃描電鏡形貌

將4#試樣拉伸暴露出裂紋面后在掃描電鏡下觀察到的斷口形貌見圖6。

從圖6可以看出，在裂紋起始區(qū)，腐蝕產(chǎn)物比較多，斷口具有網(wǎng)狀龜裂的泥狀花樣。在裂紋中部，斷口呈現(xiàn)冰糖狀沿晶斷裂特征，晶面附著腐蝕產(chǎn)物，并伴有二次裂紋。在裂紋尾部，斷口仍然呈現(xiàn)沿晶斷裂特征，二次裂紋及多棱平滑晶面清晰可見，晶面附著的腐蝕產(chǎn)物較少。

對4#試樣裂紋面上的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，結(jié)果見表3。從表3所列數(shù)據(jù)可知其含有Cl、O、S等腐蝕性元素。

圖6 4#試樣裂紋斷口掃描電鏡形貌

元素O S Cl Si Mn Cr Ni Al Zn Ca Fe 質(zhì)量分數(shù)6.601.071.333.012.6611.292.961.421.320.9666.60

3 法蘭開裂分析與討論

0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼為不穩(wěn)定狀態(tài)的過飽和固溶體，其在450～850 ℃受熱時，會在晶界上析出富鉻的碳化物(CrFe)23C6，從而在晶界附近形成貧鉻區(qū)，即材料受到敏化。在弱氧化性介質(zhì)中，處于活化態(tài)的貧鉻區(qū)和處于鈍態(tài)的未貧鉻晶粒區(qū)域?qū)⑿纬呻娢徊詈艽蟮幕罨g化電池，從而發(fā)生晶界陽極溶解過程，即晶間腐蝕[6-7]。開裂法蘭材料為0Cr18Ni10Ti鍛件并經(jīng)固溶處理，在晶界處觀察和檢測出了明顯的富鉻析出相(圖5a、表2)和溝狀組織[8](圖2b)，表明材料受到了敏化，具有較強的晶間腐蝕敏感性，這不僅與固溶處理不當有關(guān)，也與材料中C元素質(zhì)量分數(shù)過高以及Cr、Ti元素質(zhì)量分數(shù)偏低有關(guān)(表1)。固溶處理時，如果加熱溫度不夠或過冷度不夠，材料在敏化溫度區(qū)間停留時間較長，晶間將有碳化鉻析出并形成貧鉻區(qū)。C元素質(zhì)量分數(shù)增加以及Cr元素質(zhì)量分數(shù)降低將增加晶間腐蝕傾向性，Ti元素的加入可以形成TiC，更好地固定基體中過多的C元素，但Ti元素質(zhì)量分數(shù)偏低以及存在的N元素(能夠與Ti形成TiN)削弱了這一作用[9]。

裂紋位于法蘭頸部，由外向內(nèi)擴展并貫穿。裂紋呈樹枝狀，主干分支明確，尖端銳利，斷口呈現(xiàn)冰糖狀沿晶斷裂特征(圖4和圖6b)，裂紋面上的腐蝕產(chǎn)物中含有Cl、O、S元素，因此可以判斷其為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。0Cr18Ni10Ti在溫度、拉應(yīng)力及氯化物水溶液的共同作用下即會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，考慮到局部濃縮作用，有時僅需要幾個mg/kg的Cl-就可誘發(fā)[10]，API RP 581 《Risk based inspection—Base resource document》[11]規(guī)定苛刻條件下38 ℃以上環(huán)境就需要考慮氯化物應(yīng)力腐蝕開裂，介質(zhì)中的O、S對應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)展具有促進作用[12]。

開裂法蘭所在加氫管線工作溫度為60 ℃，外部包裹巖棉保溫層，長期暴露于露天環(huán)境。法蘭所在部位保溫層往往密封不良，雨雪和水汽更易進入，加之巖棉多孔結(jié)構(gòu)的吸附作用以及自身含有的氯化物、硫化物等有害成分，會在保溫層下濃縮形成含氯、含氧、含硫的腐蝕介質(zhì)[13-14]。同時，法蘭頸部還承受管系約束和內(nèi)壓引起的軸向拉應(yīng)力，因此促進了應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生和發(fā)展。應(yīng)力腐蝕開裂裂紋的方向往往與所受拉應(yīng)力的方向垂直[10]，因此法蘭頸表面裂紋的走向為環(huán)向。

應(yīng)力腐蝕開裂裂紋擴展途徑有穿晶型、沿晶型和混晶型，其與材料和所處的環(huán)境系統(tǒng)有關(guān)[9-10]。敏化態(tài)奧氏體不銹鋼在氯化物水溶液中將發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕開裂[14-16]，其物理過程可用陽極溶解機理進行解釋[7，9]。即晶間腐蝕使晶界陽極溶解，陽極周圍鈍化形成新的鈍化膜，隨后在Cl-的吸附穿透和應(yīng)力導致應(yīng)變的共同作用下，鈍化膜破裂，形成了局部陽極區(qū)，在這個陽極區(qū)中，腐蝕沿著已存在的晶界陽極區(qū)加速進行，如此反復，應(yīng)力與腐蝕協(xié)同進行，最終導致裂紋的沿晶擴展。因此，晶間腐蝕往往會成為應(yīng)力腐蝕開裂的裂紋源，晶界特征分布將影響應(yīng)力腐蝕開裂的擴展途徑[17-20]。

綜上所述，白油加氫管線0Cr18Ni10Ti法蘭開裂的原因為晶間應(yīng)力腐蝕開裂。

4 結(jié)語

對白油加氫管線0Cr18Ni10Ti法蘭的開裂進行了檢測分析，認為法蘭系晶間應(yīng)力腐蝕開裂。內(nèi)因為材料中C元素質(zhì)量分數(shù)過高，Cr、Ti元素質(zhì)量分數(shù)偏低以及晶界析出富鉻碳化物而受到敏化，外因是保溫層下濃縮的腐蝕介質(zhì)環(huán)境和法蘭頸承受的軸向拉應(yīng)力。因此，更換化學成分不合格以及受到敏化的法蘭、選用超低碳奧氏體不銹鋼材質(zhì)法蘭、加強保溫層的檢查是可以選擇的預防法蘭開裂的有效措施。