中壓蒸汽管線裂紋產生原因分析

張士侖

北京燕華工程建設有限公司 北京 102502

中壓蒸汽管線裂紋產生原因分析

張士侖

北京燕華工程建設有限公司 北京 102502

在石油化工裝置中，應力腐蝕導致焊縫開裂是比較常見的材料破壞現象之一，特別是在鍋爐、壓力容器等設備上更為常見。許多研究人員對應力腐蝕的機理、應力腐蝕產生所具備的條件和環境等方面做了大量的研究。通過大量的實踐和實驗發現，低碳鋼和低合金鋼材料在苛性堿溶液、氨溶液、含H2S的溶液、海水等溶液中易產生應力腐蝕；奧氏體不銹鋼在熱的氯化物溶液中、熱海水、濃的鍋爐水等溶液中，也易產生應力腐蝕。在鍋爐的鉚接和焊接部位，少量的滲漏使溶融的鹽形成局部高濃度的苛性鈉，易產生堿脆（即應力腐蝕開裂）。在中壓蒸汽主管線中發生應力腐蝕開裂還是較為少見的，因此搞清應力腐蝕產生的原因和機理，消除材料的應力腐蝕對于石化裝置的“安、穩、優”生產，起著非常重要的作用。

1 問題的產生

在某裝置中壓蒸汽主管線在運行大約60多天后，在管道下部集液包底部封頭上部環向焊縫發現裂紋。裂紋的長度超過200mm，焊縫的1/4已經裂開，大量的蒸汽外泄。裂紋位置（見圖 1）。

中壓蒸汽運行的技術參數（見表1）。

中壓蒸汽管線結構形式（見圖2）。

從圖2中看出，集液包由底部倒淋閥、底部封頭、直短管、和凝液排出管線組成，主蒸汽管線通過三通與下部集液包連接。底部倒淋閥下端封有盲板，一般情況下并不排液，冷凝后的液體經過集液包中部的排凝線上疏水器排到冷凝水管網。由于底部封頭溫度較低，因此蒸汽會冷凝變成水，積存在底部封頭處，當積存的液體高于排凝線管口時，才能通過中部的凝液排放線排出蒸汽管網。因此在底部封頭處，必然會長期積存凝結水。

表1 中壓蒸汽管道的技術參數

2 裂紋產生的原因分析

2.1 施工原因分析

首先認為是施工原因造成的。我們對未發生裂紋部分的焊縫進行了化學成分分析，分析結果未發現有不合格的地方，因此可以排除焊接材料的問題。我們查閱了施工過程記錄，發現該管線焊口正好是一道經射線檢測的焊口，無損檢測報告顯示，該道焊口評片均為I級片。所以應排除焊接缺陷的問題。裂紋產生的部位在焊縫中心位置，并非在母材上，因此可以斷定母材應沒有問題。我們提取了部分母材的樣品，經分析化驗顯示，母材符合規定，沒有問題。因此可以排除施工原因。

2.2 應力腐蝕開裂

我們進一步對現場進行了細致的核查，發現原來集液包的保溫層保護層鋁皮有不同程度的破壞，特別是最底層的鋁皮已經破壞的相當嚴重，幾乎成碎渣狀，從外觀上看，好像被什么物質腐蝕了，成碎片狀。再觀察現場泄漏點的下方，滴到地面的地方，呈現白色粉末狀。再觀察泄露點周圍的集液包，發現有白色的片狀無附著在周圍，底部的倒淋閥周圍均有不同程度的白色物體覆蓋。

如果只是蒸汽泄露，那么只有2個月的時間為什么鋁皮會遭到那么嚴重的腐蝕呢？而且白色塊狀物又是什么呢？

我們提取了地面上和泄露點周圍的樣品進行了化驗，化驗結果使我們大吃一驚，白色物體為NaOH，我們進一步對底部閥門的排放物進一步檢查，發現排放物的堿液濃度達到40%，屬于強堿溶液。根據現場的勘察情況我們認為可能是管道焊縫遭到了有強堿溶液的應力腐蝕（堿脆），導致焊縫裂紋產生。

為了克服傳統的DEA模型和方向距離函數（SBM）模型的弊端，Tone和Tsutsui提出了EBM模型，由此實現了徑向與非徑向兩種方法的有效結合，放寬了徑向函數投入要素同比例縮減的假定，綜合了非徑向函數考慮松弛變量的特點［23］，故能夠對研究對象的效率進行更加精確有效的評價。

那么發現的強堿又是如何進入到蒸汽中呢。我們發現，與蒸汽管道相連的焚燒單元廢熱鍋爐產生的蒸汽并入到該蒸汽管網中。與鍋爐給水相連的管線有一條為30%Na0H溶液管線，很可能是操作不當，蒸汽中混入了大量的堿液帶到了中壓蒸汽管網中。由于凝液包是低點，長時間的積存，造成了堿液濃度增高，再加上焊縫中存在的焊接應力和管道本身的受壓而產生的拉應力導致了應力腐蝕的發生。（見圖3）。

3 應力腐蝕的機理

金屬材料在拉伸應力和腐蝕介質的共同作用下，發生的腐蝕現象稱為應力腐蝕。金屬表面都有一層鈍化膜（氧化保護膜），在鈍化膜未被破壞時不發生腐蝕。在應力作用下，金屬表面局部區域的鈍化膜被撕破，露出活性金屬表面，在介質作用下出現腐蝕，且其發展是逐漸加劇的。應力腐蝕與單純的應力破壞不一樣，在極低的應力作用下也會發生破壞；與單純由于腐蝕引起破壞也不同，腐蝕性很弱的介質，也能引起應力腐蝕破壞。應力與腐蝕二者相互促進，它往往在沒有變形預兆的情況下而迅速斷裂，很容易造成嚴重的事故。常用材料易產生應力腐蝕的環境（見表2）。

表2 常用材料易產生應力腐蝕的環境

從應力腐蝕的發生條件可以看出，應力腐蝕發生有2個條件，一個是必須有拉伸應力的存在，另一個是有腐蝕的介質。

3.1 碳鋼與堿液濃度和溫度的關系

經過大量的研究和實驗，碳鋼產生堿脆與NaOH溶液濃度和溫度的關系（見圖4）。

（1）濃度的影響

從圖4中可以看出碳鋼在低溫稀堿液中具有良好的耐蝕性。然而一旦NaOH水溶液濃度高于5%時，碳鋼均有發生堿脆的可能性，隨著堿濃度的增加，碳鋼發生堿脆的傾向性增大。當NaOH水溶液濃度為30%左右時，最容易發生堿脆。對于本文中出現的情況，由于堿液流入到中壓蒸汽中，沉積到底部，底部蒸汽長時間沉積，溫度較低，變成冷凝水，倒淋閥未及時將沉積的堿液排除，導致NaOH水溶液濃度越來越高。經對排除的底部冷凝水化驗，其NaOH溶液的濃度達到了40%，這就為發生應力腐蝕提供了條件。

（2）溫度的影響

從圖4可以看出，在50%NaOH水溶液中，碳鋼發生應力腐蝕的最低溫度約為50℃，當NaOH溶液濃度在10%時，應力腐蝕發生的最低溫度在90℃左右。最容易發生堿脆的條件是NaOH的濃度是30%，溫度60℃至沸點。從圖中可以看出，堿液溫度的高低是產生堿脆與否的一個關鍵因素。在中壓蒸汽底部集液包處，其溫度由于受蒸汽的影響，溫度大概在80℃左右，在此溫度下，為應力腐蝕開裂提供了溫度條件。

3.2 發生堿脆應力的作用

發生應力腐蝕開裂的另一個關鍵因素是應力的存在。管件在加工、制造、焊接過程中都存在著殘余應力，特別是焊接殘余應力，焊接造成的殘余應力最大值可以接近材料的屈服極限。從圖5（a）中可以看出，與焊縫垂直方向上的應力越接近焊縫中心，焊接殘余應力越高，這說明了同時處于高濃度堿液中的封頭、管子和兩者之間的焊縫，由于焊縫中心的殘余應力最高，因此最先導致應力腐蝕破裂。又由于焊接殘余應力沿焊接方向上的應力分布不同，從圖5（b）可以看出距離焊接起點約200mm的地方應力最高，向兩側逐漸減弱，在距離0點和400mm以外，逐漸降為0。因此整條焊縫發生應力腐蝕破裂的程度及時間長短是不同的，在應力高的地方，可能先發生應力腐蝕破裂。從現場核查的情況來看，發生腐蝕破裂的確時間不同，從圖1中可以看到，右邊焊縫的部分已經發生蒸汽泄漏，而在焊縫的其它部位，只出現了返銹現象，原來涂刷的底漆已沒有了，這說明此處雖已發生應力腐蝕，但還沒有達到開裂的地步。見圖6。

3.3 應力腐蝕的機理

應力腐蝕是一個非常復雜的問題，應力腐蝕的機理有多種不同的說法，電化學快速溶解理論是目前提得較多的觀點之一。

在腐蝕介質中，金屬表面上形成具有保護能力的表面膜。由于金屬組織結構上存在缺陷，鈍化膜總會存在薄弱點，該處電極電位比其他部位負，是個活性點，在應力作用下引起破壞或減弱，結果暴露出新鮮表面。此新鮮表面在電解質溶液中成為陽極，它與成為陰極的完整表面膜組成一個大陰極和小陽極的腐蝕電池，陽極的電流密度很大，結果就成為溝狀裂紋。

裂紋一旦形成，由于該尖端處應力集中，使附近區域發生變形屈服，加速了陽極區溶解，進而阻止了膜的再鈍化（圖7中A0所示）。裂紋尖端的進展速度比裂紋兩側的溶解速度大的約10萬倍。同時在裂紋兩側因為有效應力很快消失，繼續發展著的裂紋的側面及金屬整個表面是陰極，而裂紋尖端作為有效的陽極，在應力不斷作用下，強化了電化學過程，裂紋繼續發展、傳播，像尖刀形那樣向前延伸，最終導致金屬發生破裂。見圖7。

在中壓蒸汽管道發生應力腐蝕的地方，由于同時具備發生應力腐蝕的兩個條件，因此造成焊縫的應力腐蝕。由于操作不慎，導致一定量的堿液進入到蒸汽管網中，堿液在低點沉積，由于蒸汽凝液包的排液口并不在最低處，而是在封頭環向焊縫的上面，導致蒸汽凝液底部部分長期無法排出，堿液也不斷積累，濃度達到一定的程度，在應力和溫度的作用下，經過一段時間產生裂紋，然后裂紋逐漸擴展，達到臨界尺寸，裂紋尖端的應力強度達到材料的斷裂韌性而發生失穩斷。

4 消除應力腐蝕的方法

從應力腐蝕發生的條件上可以看出，發生應力腐蝕必須有兩個條件：腐蝕介質和拉應力的存在。只要消除一個條件，應力腐蝕就不會發生。對于本文所在情況，拉應力是無法消除的，管道本身就承受蒸汽的壓力，焊縫的焊接殘余應力因為沒有進行管道熱處理因此焊接殘余應力是無法消除的，生產一直在運行，也無法進行焊道熱處理，因此焊縫產生拉應力是永遠存在的；只有消除腐蝕介質的存在才能避免應力腐蝕的產生。因此首先要求：操作人員精心操作，避免堿液過量流入到蒸汽管網中；其次就是將凝結水排放閥定期排放，避免堿液存積導致堿液的濃度升高造成應力腐蝕。

經生產操作人員的正確操作指導，每天現場操作人員定期對冷凝液進行排放，現在未再次發生此類事件。

5 結論

（1）中壓蒸汽管線焊縫泄漏的原因不是施工造成的，是由于操作不當，致使強堿溶液混入到中壓蒸汽管網中，造成的強堿溶液的應力腐蝕。

（2）應力腐蝕的產生是由于集液包長時間的積液，隨著強堿溶液的濃度越來越高，再加上此處的溫度大約在90°C左右，焊縫間有焊接應力的和管道承受拉應力的存在，隨著時間的累積，最終造成了應力腐蝕開裂。

（3）消除應力腐蝕的方法應避免強堿溶液進入到中壓蒸汽管網中，嚴格操作；應定期對集液包的積液進行排放。

1楊燦生 《氫氧化鈉溶液儲槽的開裂與對策》.

2主編劉敬福 《材料腐蝕及控制工程》.

3陳合成 《堿液腐蝕及防護技術》.

4徐文清 《鍋爐壓力容器應力腐蝕破裂與控制》.

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1672-9323（2012）02-0075-03

2012-01-11）