平衡管道三通開裂失效分析

奚 蔚

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

平衡管道三通開裂失效分析

奚 蔚

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

通過對開裂的不銹鋼三通材料進行了化學成分分析、斷口宏微觀形貌觀察、硬度測試及金相檢驗，并結合該三通的工作環境進行了失效分析。分析結果表明:該三通材料為321不銹鋼，開裂原因為硫化物引起的應力腐蝕開裂。由于材料固溶處理不符合要求，在晶界和晶內析出了大量彌散的碳化物，造成材料耐腐蝕性能下降。

三通 不銹鋼 應力腐蝕開裂 失效分析

某公司2號常減壓裝置大修后，在進行系統運行準備工作吹掃時發現，減底泵P－104C進出口平衡管道上的三通管件存在貫穿性裂紋。該管件投用至今約十年時間，材料為不銹鋼321，操作溫度為390℃，操作壓力為2.0 MPa，管內介質為減壓塔底油。為了掌握該三通管件失效原因，對該三通管件裂紋處進行了取樣分析，以掌握三通開裂的失效機理，提高裝置生產運行安全性。

1 三通管件材料的化學成分分析

為了確認該三通管件的實際使用材料，對管件進行了化學成分分析，其結果見表1。

表1 三通管件材料的化學成分分析 w，%

根據表1分析結果，對照不銹鋼鋼號標準手冊，可以確認該三通管件為奧氏體不銹鋼，相近材料牌號為0Cr18Ni10Ti。

2 三通管件開裂處宏觀形貌分析

2.1 三通開裂部位及內外表面狀況分析

三通開裂部位及內外表面腐蝕形貌見圖1，2。

由圖1，2可以看出三通管件開裂部位在三通母材管件上，遠離連接焊縫，裂紋呈單條裂紋，整個三通管件外表面比較粗糙，局部有小蝕坑，內表面比較光滑，無腐蝕狀況。

圖1 三通外表面宏觀形貌

圖2 三通內表面宏觀形貌

2.2 三通管件裂紋斷口宏觀形貌分析

三通管件斷口宏觀形貌見圖3，4。從圖3中可以看出整個斷口較為平坦，呈纖維狀，該斷口顯示脆性開裂特征。根據斷口照片，右側部位斷口顏色呈黃褐色，其余斷口較為新鮮，呈金屬色，由此可以判斷黃褐色區域是裂源部位。由圖4可見:裂源處放射狀條紋是由外壁向內部發散，由此可以判斷裂紋首先從外壁表面產生，隨著運行時間的積累向內壁逐步擴展，最終導致整個截面穿透斷裂。

圖3 外表面狀況及斷口宏觀形貌

圖4 局部放大斷口宏觀形貌

3 三通管件斷口的微觀形貌分析

為了掌握該三通管件斷裂失效機理，對該斷口進行微觀形貌分析。斷口裂源部位的低倍微觀形貌見圖5。

圖5 斷口裂源部位的低倍形貌

從圖5中很清晰地觀察到由外壁向內壁擴展的放射性條紋特征。起裂部位局部放大照片見圖6。由圖6可以看出裂源部位有腐蝕凹坑存在，且起裂部位上存在較多的腐蝕產物。起裂部位內壁斷口的微觀形貌見圖7。由圖7可以看出斷口上的腐蝕產物大大地減少，斷口呈準解理脆性斷口特征。裂源處斷口外表面形貌見圖8。由圖8可以看出外表面存在諸多的腐蝕坑，為誘發裂紋產生原因之一。最終斷裂的區域，出斷口較為新鮮，局部區域有韌窩狀斷口特征，但大部分還是準解理脆性特征，說明三通管件材料有一定的脆性，掃描電鏡照片見圖9，10。

圖6 起裂部位局部放大

圖7 起裂部位內壁斷口的微觀形貌

圖8 裂源處斷口外表面蝕坑

圖9 最終斷裂的區域

圖10 最終斷裂的區域

通過對三通斷口微觀形貌的分析，可以判斷該三通管件開裂是由應力腐蝕裂紋導致擴展引起的。說明平衡管所處的最終區域環境一定存在引起應力腐蝕的介質元素，由此可以推斷，該區域存在一定的濕度。為了弄清環境影響因素，必需對斷口的腐蝕產物進行分析［1－2］。

4 斷口腐蝕產物能譜分析

通過斷口腐蝕產物能譜分析可以看到腐蝕產物中含有較多的硫，其質量分數達到1.7% ～2.18%。遠離起裂部位近外壁的斷口區域，可以觀察到腐蝕產物中的硫含量明顯降低，其質量分數達0.55% ～0.95%。從最終斷口的區域，可以看到斷口上無腐蝕產物存在，是新鮮斷口。

由斷口腐蝕產物元素能譜分析結果表明，導致應力腐蝕開裂的主要介質影響因素為環境中存在含硫的硫化物，表明引起三通管件應力腐蝕開裂的介質是硫化物，其失效與管內介質無關。

5 金相組織分析與硬度測定

5.1 母材材料的金相組織分析

對三通管件材料進行了金相組織檢查，具體材料組織見圖11。從圖11中可以看出三通管件母材組織為奧氏體加彌散分布的碳化物，在奧氏體晶界和晶內分布大量的顆粒狀碳化物，該組織顯示該三通管件固熔化熱處理工藝存在問題，引起大量碳化物析出，造成三通管件耐腐蝕性下降。

圖11 三通管件母材形貌

5.2 三通管件材料的硬度測定

對三通管件進行顯微硬度測定，測定數據見表2。

表2 三通管件顯微硬度值(HB)

從表2中可以看出裂紋處材料硬度均超過200HB，不符合SH3408－1996《鋼制對焊無縫管件》標準要求，這也說明材料固熔化處理不符合要求。

6 結論

根據前面對三通管件的分析及測試，現將主要結論綜述如下:

(1)根據對三通管件處理的化學成分分析，可以確認三通管件為奧氏體不銹鋼材料，具體材料牌號為0Cr18Ni10Ti。

(2)根據對斷口宏觀形貌、微觀形貌和腐蝕產物分析，可以確認造成開裂的主要原因為硫化物應力腐蝕開裂，在三通管件外表面形成裂源，向內壁和周向方向擴展，造成最終斷裂。

(3)通過對三通管件材料的金相組織分析，可以看出三通管件材料固熔化熱處理不符合要求，在晶界和晶內析出大量彌散的碳化物，造成材料耐腐蝕性能下降。

［1］岡毅民.中國不銹鋼腐蝕手冊［M］.北京:冶金工業出版社，1992:203-205.

［2］陸世英，王欣增，李丕鐘，等.不銹鋼應力腐蝕事故分析與耐應力腐蝕不銹鋼［M］.北京:原子能出版社，1985:30-32.

Analysis of Cracking Failure of Tees for Pipelines

Xi Wei
SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.(Shanghai 200540)

The chemical composition analysis，digital macroscopy imaging，hardness testing and metallographic analysis of stainless steel tees and associated failure analysis of operating conditions have concluded that the cracking of the 321 stainless steel tee was caused by stress corrosion cracking.The solution treatment of materials failed to meet the requirement and large amount of dispersed carbides are educed in grain boundary and grains，which reduced the corrosion resistance of the material

tee，stainless steel，stress corrosion cracking，failure analysis

TG 115

A

1007－015X(2011)03－0051－04

2010－12－ 22;

2011－03－10。

奚蔚，工程師，長期從事煉油企業的防腐管理工作，現為煉油事業部防腐主管。E-mail:shxiwei@163.com