苯加氫管道系統不銹鋼短節(jié)開裂原因

隋曉紅，黃 磊，王曉峰，楊 靜，薛占強，韓文忠，楊 峰

（鞍鋼股份有限公司，鞍山114009）

某化工廠苯加氫裝置于2009年投入運行，用來制備純苯、硝化甲苯、二甲苯和非芳烴等化工原料。管道系統的傳輸介質主要為苯、氫、硫化氫氣體，管道中存在有少量水份。其工作溫度為120～150℃，壓力為40kg。為確保安全運行，該廠日常采用氣體探測器對系統進行日常點檢，近期在點檢時發(fā)現，聯結兩法蘭的一不銹鋼短節(jié)管位置硫化氫和氫氣含量超標，立即停機檢查。不銹鋼短節(jié)在線磁粉探傷發(fā)現：在管的表面出現了約4～6mm左右的小裂口3條，裂紋相互距離較遠，沿管的周向斷續(xù)分布。短節(jié)的材質為316Ti，規(guī)格為45mm×3.5mm×50mm。此短節(jié)管一旦爆裂，將會使化工廠發(fā)生重大事故，給設備和人員造成不可估量的損失。本工作結合系統環(huán)境條件，利用金相檢驗方法對該不銹鋼短節(jié)管進行了全面分析，找出了開裂原因，為提高此類管件使用壽命、制定系統的安全對策提供了技術依據。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

從開裂管件上鉆取試樣進行化學成分分析，結果見表1。與GB／T 14976-2002（0Cr18Ni12MoTi）標準相對照，所檢試樣化學成分均符合標準規(guī)定值。

表1 試樣化學成分分析結果 %

1.2 探傷檢查

不銹鋼短節(jié)開裂的宏觀形態(tài)如圖1所示。裂紋位于距管一側的焊縫約30mm處，沿管的周向橫向開裂。為確定管的內外壁上裂紋的分布狀態(tài)，首先按照JB／T4730-2005標準對管件進行表面著色磁粉探傷，進一步確定裂紋缺陷的具體位置。結果顯示，在管的外表面，裂紋沿管的圓周橫向斷續(xù)分布；在管的內壁上、對應外表面開裂的位置，裂紋完全擴展連接分布于近1／3內壁上。裂紋的宏觀特點是：寬度較窄，深度較深。內外壁對應分析，絕大部分裂紋近乎穿透管壁，個別部位已裂透，裂紋沿著橫向連續(xù)擴展，且方向性比較強。

圖1 不銹鋼短節(jié)開裂宏觀照片

1.3 掃描電鏡和能譜分析

從不銹鋼短節(jié)裂紋處取樣為裂透試樣，沿管壁方向掰斷，將斷口試樣置于QUANTA400掃描電鏡下觀察其微觀特征。裂紋起源于管的內表面，由內表面向外表面擴展，斷口微觀形貌表現出脆性斷裂特征。腐蝕開裂部分斷口的微觀形態(tài)為準解理形貌，局部具有沿晶斷裂形貌，同時在斷口上觀察到了明顯的二次裂紋，見圖2（a），（b）。未裂透而掰斷部分的斷口一般靠近管壁的外表面，微觀特征為韌窩形態(tài)，見圖2（c）。斷口的大部分表面上有附著物，利用能譜對附著物進行微區(qū)成分分析，其主要成分為：氧、硫、鉻、鎳等元素，見圖3。

圖3 開裂斷口上附著物及微區(qū)成分分析

1.4 金相分析

使用金相顯微鏡觀察裂紋形態(tài)可見，短節(jié)管開裂的裂紋起源于管的內表面，呈樹枝狀向外表面擴展，大部分開裂的深度已超過壁厚的2／3，個別部位完全裂透，在管壁的外表面顯現。在主裂紋根部有二次裂紋垂直表面方向以穿晶和沿晶混合形式向周圍擴展。見圖4微觀裂紋形貌。

圖4 短節(jié)管裂紋顯微形態(tài)

由圖4可見，裂紋附近基體中氮化物類夾雜較多，按標準GB10561-2005評級結果為BN1.0級。DN＞3.0級，金相組織為奧氏體和第二相，晶粒度為5級，晶粒較均勻，夾雜物和基體組織形態(tài)見圖5。觀察短節(jié)管焊接位置，焊縫的金相組織為奧氏體＋鐵素體；熱影響區(qū)組織為鐵素體＋奧氏體＋第二相。焊縫位置及周圍區(qū)域未發(fā)現裂紋等異常組織。

圖5 夾雜物和基體組織形貌

繼續(xù)使用透射電鏡對顯微組織中的第二相進行分析，結果表明，鋼中的第二相均勻彌散地分布在基體上，數量較少，在晶界上沒有偏聚。能譜測定第二相粒子的成分主要為：鈦、鎳或鈦、鎳、鉬的碳氮化物。

2 討論

該苯加氫系統選用316Ti不銹鋼材質作為法蘭連接件，目的是利用其低碳、高鉻的高抗蝕性能來抵御系統介質的腐蝕。化學分析結果表明，該管的成分符合GB／14976-2006標準規(guī)定要求。從短節(jié)管受力狀態(tài)分析：管的兩端與法蘭盤聯結，承受軸向拉伸應力。由開裂的宏觀形態(tài)看，裂紋是沿著管的圓周擴展，寬度細窄，其方向與所受拉應力垂直。微觀形態(tài)是：裂紋起源于管的內表面，呈分叉狀向外表面擴展，開裂的斷口呈脆性斷裂形貌，形態(tài)有沿晶、穿晶或混合型。以上宏觀和微觀特征表明：短節(jié)的開裂為應力腐蝕所致［1］。

在苯加氫系統中，能發(fā)生應力腐蝕開裂的必要條件首先是金屬表面的保護膜局部遭到破壞，形成裂紋源。金相檢驗顯示：短節(jié)件焊接區(qū)域的組織正常，未發(fā)現有能引起金屬表面膜破裂的缺陷；管基體的金相組織為奧氏體＋第二相，透射電鏡觀察證明，其中的碳氮化物第二相數量少，且呈均勻彌散分布，未在晶界形成偏聚，不足以形成破壞金屬表面膜的微觀缺陷。但金相觀察發(fā)現，短節(jié)管基體中存在較嚴重的氮化物類夾雜，DN＞3.0級，且夾雜物呈聚集或呈短鏈狀分布于鋼基體中。分析認為，由于這種較嚴重的夾雜物的存在，破壞了鋼基體的連續(xù)性，在短節(jié)件承受拉伸應力作用時，鋼基體內有嚴重夾雜物存在的局部區(qū)域產生內應力集中。在濕硫化氫環(huán)境中，管內壁首先發(fā)生電化學腐蝕，即介質中的HS-和S2-陰離子在管壁上發(fā)生吸附，促進氫離子還原，同時減緩生成的氫原子重組成氫分子，促進析出的氫原子在鋼的表面聚集并滲入鋼內。滲入鋼內的氫富集在管壁的應力集中處，形成裂紋源［2］。有資料介紹［3］，這種裂紋源形成初期并非“真正破裂”，而是隨著所受應力的加大形成微裂紋。由于裂紋尖端表面膜破裂，在此構成大陽極、小陰極的腐蝕電池，造成裂紋前沿金屬快速溶解；而裂紋側面由于具有一定的表面膜，抑制了溶解，或者說溶解速度很小，因此構成了宏觀所見的細窄裂紋。

掃描斷口觀察結果，開裂的斷口均呈脆性的準解理形態(tài)，斷口上附著有大量的硫化物，而未裂透、人為掰斷的斷口由于沒有腐蝕產物的侵入，仍保持較好的韌性狀態(tài)。進一步證實：在濕硫化氫腐蝕介質的作用下，管節(jié)基體呈現脆化而開裂。

3 結論與建議

（1）不銹鋼短節(jié)材質中含有較嚴重的氮化物夾雜，且呈聚集或鏈狀分布，破壞了鋼基體的連續(xù)性，當短節(jié)管承受拉伸的工作應力時，夾雜物位置形成應力集中，管內腐蝕物質在此位置形成腐蝕。因此短節(jié)基體中嚴重的夾雜物是造成開裂的主要原因。

（2）不銹鋼短節(jié)斷口附著有大量硫化物沉積，且開裂位置承受軸向應力，說明短節(jié)是在濕硫化氫介質與應力的共同作用下，基體發(fā)生脆化，產生了具有沿晶和穿晶兩種微觀特征的脆性開裂。

（3）不銹鋼短節(jié)上裂紋擴展的開口度較小、深度較深，其方向與不銹鋼短節(jié)所受的拉伸應力相垂直；主裂紋周圍存在二次裂紋。進一步證明該不銹鋼短節(jié)開裂為應力腐蝕失效。

建議對所用不銹鋼管件材質限定非金屬夾雜物含量控制標準，確保具有較高的純凈度；在系統的構件組裝上，盡量降低裝配應力和其他殘余應力；加強管道系統運行期間的監(jiān)控，保證不銹鋼聯結件在腐蝕環(huán)境下安全運行。

［1］劉秀晨，安成強.金屬腐蝕學［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［2］劉志勇，董超芳.3Cr17Ni7Mo2SiN不銹鋼硫化氫環(huán)境下的應力腐蝕開裂［J］.機械工程學報，2011，47（6）：66.

［3］廖景娥，文正義.金屬構件失效分析［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.