工藝?yán)淠汗芫€泄漏原因分析

胡 磊，王 利，李偉明，宋文明，李燕姣，席 鵬，秦力杰

(1.烏魯木齊石化公司 化肥廠，新疆 烏魯木齊 830019；2.中國(guó)石油 大連石化公司，遼寧 大連 116011；3.福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 泉州分院，福建 泉州 362000；4.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司，上海 201518；5.西北銷(xiāo)售質(zhì)量計(jì)量管理部 蘭州監(jiān)督檢驗(yàn)站，甘肅 蘭州 730060)

某化工裝置中使用的工藝?yán)淠汗芫€尺寸φ139.7 mm×3.6 mm，材質(zhì)0Cr18Ni9，設(shè)計(jì)壓力1.26 MPa，操作壓力0.8 MPa，設(shè)計(jì)溫度 200℃,操作溫度150℃。初次投用后一彎頭焊縫部位發(fā)生泄漏，更換后再次試壓過(guò)程中其他管段管線本體出現(xiàn)裂紋2處，管線焊縫出現(xiàn)裂紋29處。

1 泄漏管線宏觀檢驗(yàn)

泄漏管段外壁呈銀灰色，存在裂紋，裂紋位置比較集中，周邊附著少量黃色垢物。沿軸向剖開(kāi)泄漏管段，可見(jiàn)管段厚度總體均勻，無(wú)明顯減薄，內(nèi)壁面附著較多黑色、褐色及少量綠色污垢，污垢質(zhì)地疏松、易脫落。清除污垢后，管段內(nèi)壁表面可見(jiàn)點(diǎn)狀腐蝕坑及裂紋，最大腐蝕坑直徑約4 mm。

2 泄漏部位無(wú)損檢測(cè)

對(duì)泄漏管段內(nèi)壁面和外壁面進(jìn)行滲透處理［1］，測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 泄漏管段滲透處理及裂紋測(cè)量

圖1a和圖1b均顯示，裂紋位于焊縫周邊。從圖1a可以看出，外壁上只有裂紋，裂紋垂直于焊縫分布，形狀較直且無(wú)分叉，最大長(zhǎng)度約10 mm。從圖1b可以看出，內(nèi)壁上有裂紋和腐蝕坑，但腐蝕坑較多。裂紋呈樹(shù)枝狀、存在較多分叉，最長(zhǎng)裂紋約50 mm，腐蝕坑分布較為密集。對(duì)比圖1a和圖1b可知，泄漏管段內(nèi)壁面和外壁面上的裂紋位置相互對(duì)應(yīng)，內(nèi)壁裂紋數(shù)量和長(zhǎng)度均大于外壁，內(nèi)壁存在較多腐蝕坑，初步判斷管壁裂紋由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展。

3 泄漏管段檢測(cè)分析

3.1 母材化學(xué)成分

對(duì)泄漏管段母材進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)［2-8］，結(jié)果表明管線化學(xué)成分符合GB 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》［9］中對(duì)0Cr18Ni9材料的相關(guān)要求。

3.2 金相組織分析

取泄漏管段裂紋部位進(jìn)行母材、焊縫、熱影響區(qū)、裂紋形貌以及裂紋尖端金相組織和形貌分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 管壁裂紋部位金相組織

從圖2a可看出，管段母材金相組織為奧氏體+少量析出相，析出相呈點(diǎn)狀分布在晶內(nèi)、晶界，組織正常。管線原始熱處理狀態(tài)正常。且在使用過(guò)程中組織未發(fā)生變化。從圖2b可看出，焊縫金相組織為奧氏體+δ鐵素體，鐵素體含量約9%，組織正常。從圖2c可看出，熱影響區(qū)組織為奧氏體+δ鐵素體，由于焊接熱輸入，此部位奧氏體晶粒尺寸較母材組織明顯長(zhǎng)大，且出現(xiàn)孿晶組織，粗大的晶粒會(huì)使材料強(qiáng)度、塑性及韌性下降［10］。從圖2d和圖2e可看出，管線泄漏部位裂紋位于焊縫、熱影響區(qū)、近縫母材，呈樹(shù)枝狀擴(kuò)展，分叉較多，在主裂紋的邊緣存在孤島狀腐蝕坑，以穿晶擴(kuò)展為主，符合應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特征［11］。管線組織中的夾雜物、析出相等對(duì)材料力學(xué)性能影響不大，但會(huì)降低材料的耐腐蝕性能，夾雜物或析出相與周邊基體之間存在電位差，在電解質(zhì)環(huán)境中，析出相與基體之間產(chǎn)生電位差，二者之間的邊界被腐蝕，形成腐蝕溝槽，繼而造成析出相脫落，形成腐蝕坑，隨著時(shí)間的推移，腐蝕坑會(huì)越來(lái)越 大［12］。

3.3 斷口形貌分析

泄漏管段裂紋面斷口形貌見(jiàn)圖3。裂紋面呈褐色，斷面存在起伏，并存在發(fā)亮的金屬小刻面。斷面存在明顯擴(kuò)展條紋，裂紋啟裂于內(nèi)壁，有多個(gè)啟裂源，形成起裂區(qū)，裂紋沿壁厚向外壁擴(kuò)展，外壁存在多個(gè)瞬間斷裂點(diǎn)，形成瞬間斷裂區(qū)。

圖3 管壁裂紋斷口宏觀形貌

采用掃描電鏡對(duì)泄漏管段裂紋斷口面內(nèi)啟裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬間斷裂區(qū)進(jìn)行觀察。結(jié)果表明，泄漏管段裂紋面斷口啟裂區(qū)、瞬間斷裂區(qū)的微觀形貌均為河流狀解理花樣及扇形花樣，呈解理開(kāi)裂特征，見(jiàn)圖4。

圖4 泄漏管段裂紋斷口微觀形貌（400×）

3.4 腐蝕坑形貌分析

用掃描電鏡觀察泄漏管段內(nèi)壁裂紋區(qū)腐蝕坑，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5a可以看出，腐蝕坑邊緣光滑，內(nèi)部布滿(mǎn)腐蝕產(chǎn)物，從圖5b可以看出,腐蝕坑內(nèi)局部區(qū)域露出金屬基體，基體晶面光滑、晶界清晰。

圖5 泄漏管段裂紋區(qū)域腐蝕坑形貌

3.5 腐蝕產(chǎn)物成分分析

泄漏管段內(nèi)壁裂紋區(qū)腐蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物形貌見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，腐蝕產(chǎn)物呈顆粒狀，質(zhì)地致密。

圖6 泄漏管段內(nèi)壁裂紋區(qū)腐蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物形貌（200×）

對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDAX能譜分析和能譜圖數(shù)據(jù)處理，得到腐蝕產(chǎn)物元素組成，見(jiàn)表1。垢物中含有的Cl元素，在含水環(huán)境下，將以Cl-的形式存在。失效工藝管線材質(zhì)為0Cr18Ni9，對(duì)氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂較為敏感，Cl-易在垢下、腐蝕坑、夾雜物等缺陷部位富集，為應(yīng)力腐蝕的開(kāi)裂創(chuàng)造了必要條件。

表1 泄漏管道裂紋區(qū)腐蝕產(chǎn)物元素組成

4 泄漏管段開(kāi)裂失效原因分析

4.1 開(kāi)裂類(lèi)型

根據(jù)裂紋啟裂點(diǎn)位于內(nèi)壁，失效區(qū)域存在較厚褐色沉積垢以及較密集腐蝕坑等檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)論判斷，冷凝液管線泄漏為污垢下腐蝕引起的失效［13］。綜合冷凝液管線裂紋位于腐蝕坑邊緣或與腐蝕坑相連，裂紋區(qū)域無(wú)塑性變形存在，裂紋面整體平整、局部粗糙，呈脆性開(kāi)裂特征，裂紋面存在明顯擴(kuò)展條紋，微觀下裂紋呈樹(shù)枝狀，并存在湖泊狀特征，尖端為穿晶開(kāi)裂特征，斷面呈解理開(kāi)裂特征等金相組織分析、斷口形貌分析結(jié)論，可以判斷冷凝液管線泄漏為典型的不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂造成的［11］。

4.2 腐蝕坑成因

宏觀檢驗(yàn)顯示，泄漏管線裂紋集中在近焊縫母材部位，沿管道壁厚方向自?xún)?nèi)壁向外壁擴(kuò)展。金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示，裂紋由管內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展。工廠檢驗(yàn)和生產(chǎn)運(yùn)行記錄表明，管材冶金質(zhì)量、焊縫組織等均滿(mǎn)足技術(shù)要求，管線入廠檢驗(yàn)、水壓試驗(yàn)等均滿(mǎn)足技術(shù)要求，服役過(guò)程中工藝參數(shù)穩(wěn)定，管線未受到其他外力作用，因此可排除制造原始缺陷的存在及其擴(kuò)展的可能性。

工藝?yán)淠汗芫€輸送介質(zhì)中含有H2S和CO2氣體及液態(tài)水，H2S、CO2氣體溶于H2O會(huì)形成酸性水環(huán)境。在酸性水環(huán)境中，0Cr18Ni9不銹鋼對(duì)氯化物點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂都較為敏感。管道壁面上結(jié)垢時(shí)，介質(zhì)中的 Cl-、SO42-、SO32-等易在污垢下富集。在酸性水環(huán)境下，污垢部位介質(zhì)pH降低，不銹鋼表面鈍化膜的耐腐蝕性能下降，成為酸性物易攻擊的薄弱部位，優(yōu)先被腐蝕，形成管壁表面的腐蝕坑［14-15］。

管線組織中含夾雜物、析出相的部位也是酸性水環(huán)境下優(yōu)先被腐蝕的對(duì)象，夾雜物、析出相對(duì)材料力學(xué)性能的影響不大，但是夾雜物或者析出相與周邊基體之間存在電位差，在酸性環(huán)境中，析出相與基體之間產(chǎn)生電位差，二者之間的邊界被腐蝕，形成腐蝕溝槽，繼而造成析出相脫落，形成腐蝕坑。

4.3 管線開(kāi)裂成因

管道內(nèi)表面上形成腐蝕坑后，隨著新鮮溶液的不斷補(bǔ)充，管壁腐蝕會(huì)持續(xù)而且加速發(fā)展，表現(xiàn)為腐蝕坑越來(lái)越大［12］。泄漏管線為壓力管道，其近焊縫部位承受管道、焊接力及組織的疊加應(yīng)力，開(kāi)裂敏感性較其他部位的高，裂紋首先在這些部位的腐蝕坑內(nèi)萌生。管道介質(zhì)提供的含Cl-、H2S、CO2酸性水環(huán)境以及150℃高溫增加了開(kāi)裂的敏感性［16］，裂紋因此發(fā)生擴(kuò)展。裂紋的擴(kuò)展主要受應(yīng)力影響，在不考慮其他應(yīng)力的情況下，管線承受的環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的2倍，裂紋傾向于沿軸向發(fā)生擴(kuò)展［17］。

因此，冷凝液管線開(kāi)裂泄漏的原因可以總結(jié)為，在Cl-和應(yīng)力的作用下，腐蝕坑內(nèi)萌生裂紋，裂紋擴(kuò)展引起氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

5 結(jié)語(yǔ)

泄漏管段內(nèi)壁附著物下產(chǎn)生的酸性環(huán)境是導(dǎo)致管壁發(fā)生點(diǎn)腐蝕的根本原因。在Cl-和應(yīng)力的作用下，腐蝕坑內(nèi)萌生裂紋，裂紋擴(kuò)展引起氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是管線開(kāi)裂的主要原因。針對(duì)泄漏管線失效原因，可通過(guò)定期除垢、適當(dāng)增加管內(nèi)介質(zhì)流速等方法終止和延緩管壁污垢下腐蝕進(jìn)程；可通過(guò)控制介質(zhì)中Cl-含量，降低應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向；可在必要時(shí)對(duì)管線材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)，選擇如S2205、S2207等抗硫、抗氯性能更好的管材。