苯加氫管道系統(tǒng)不銹鋼短節(jié)開裂原因

隋曉紅，黃 磊，王曉峰，楊 靜，薛占強(qiáng)，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(yùn)行，用來(lái)制備純苯、硝化甲苯、二甲苯和非芳烴等化工原料。管道系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)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(yùn)行，該廠日常采用氣體探測(cè)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行日常點(diǎn)檢，近期在點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，聯(lián)結(jié)兩法蘭的一不銹鋼短節(jié)管位置硫化氫和氫氣含量超標(biāo)，立即停機(jī)檢查。不銹鋼短節(jié)在線磁粉探傷發(fā)現(xiàn)：在管的表面出現(xiàn)了約4～6mm左右的小裂口3條，裂紋相互距離較遠(yuǎn)，沿管的周向斷續(xù)分布。短節(jié)的材質(zhì)為316Ti，規(guī)格為45mm×3.5mm×50mm。此短節(jié)管一旦爆裂，將會(huì)使化工廠發(fā)生重大事故，給設(shè)備和人員造成不可估量的損失。本工作結(jié)合系統(tǒng)環(huán)境條件，利用金相檢驗(yàn)方法對(duì)該不銹鋼短節(jié)管進(jìn)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(tǒng)的安全對(duì)策提供了技術(shù)依據(jù)。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

從開裂管件上鉆取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。與GB／T 14976-2002（0Cr18Ni12MoTi）標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)照，所檢試樣化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

表1 試樣化學(xué)成分分析結(jié)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(cè)的焊縫約30mm處，沿管的周向橫向開裂。為確定管的內(nèi)外壁上裂紋的分布狀態(tài)，首先按照J(rèn)B／T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管件進(jìn)行表面著色磁粉探傷，進(jìn)一步確定裂紋缺陷的具體位置。結(jié)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(nèi)壁上、對(duì)應(yīng)外表面開裂的位置，裂紋完全擴(kuò)展連接分布于近1／3內(nèi)壁上。裂紋的宏觀特點(diǎn)是：寬度較窄，深度較深。內(nèi)外壁對(duì)應(yīng)分析，絕大部分裂紋近乎穿透管壁，個(gè)別部位已裂透，裂紋沿著橫向連續(xù)擴(kuò)展，且方向性比較強(qiáng)。

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(nèi)表面，由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展，斷口微觀形貌表現(xiàn)出脆性斷裂特征。腐蝕開裂部分?jǐn)嗫诘奈⒂^形態(tài)為準(zhǔn)解理形貌，局部具有沿晶斷裂形貌，同時(shí)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(duì)附著物進(jìn)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(nèi)表面，呈樹枝狀向外表面擴(kuò)展，大部分開裂的深度已超過(guò)壁厚的2／3，個(gè)別部位完全裂透，在管壁的外表面顯現(xiàn)。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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)GB10561-2005評(píng)級(jí)結(jié)果為BN1.0級(jí)。DN＞3.0級(jí)，金相組織為奧氏體和第二相，晶粒度為5級(jí)，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(xiàn)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(duì)顯微組織中的第二相進(jìn)行分析，結(jié)果表明，鋼中的第二相均勻彌散地分布在基體上，數(shù)量較少，在晶界上沒(méi)有偏聚。能譜測(cè)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(tǒng)選用316Ti不銹鋼材質(zhì)作為法蘭連接件，目的是利用其低碳、高鉻的高抗蝕性能來(lái)抵御系統(tǒng)介質(zhì)的腐蝕。化學(xué)分析結(jié)果表明，該管的成分符合GB／14976-2006標(biāo)準(zhǔn)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(lián)結(jié)，承受軸向拉伸應(yīng)力。由開裂的宏觀形態(tài)看，裂紋是沿著管的圓周擴(kuò)展，寬度細(xì)窄，其方向與所受拉應(yīng)力垂直。微觀形態(tài)是：裂紋起源于管的內(nèi)表面，呈分叉狀向外表面擴(kuò)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(yīng)力腐蝕所致［1］。

在苯加氫系統(tǒng)中，能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件首先是金屬表面的保護(hù)膜局部遭到破壞，形成裂紋源。金相檢驗(yàn)顯示：短節(jié)件焊接區(qū)域的組織正常，未發(fā)現(xiàn)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(shù)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(xiàn)，短節(jié)管基體中存在較嚴(yán)重的氮化物類夾雜，DN＞3.0級(jí)，且夾雜物呈聚集或呈短鏈狀分布于鋼基體中。分析認(rèn)為，由于這種較嚴(yán)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(yīng)力作用時(shí)，鋼基體內(nèi)有嚴(yán)重夾雜物存在的局部區(qū)域產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力集中。在濕硫化氫環(huán)境中，管內(nèi)壁首先發(fā)生電化學(xué)腐蝕，即介質(zhì)中的HS-和S2-陰離子在管壁上發(fā)生吸附，促進(jìn)氫離子還原，同時(shí)減緩生成的氫原子重組成氫分子，促進(jìn)析出的氫原子在鋼的表面聚集并滲入鋼內(nèi)。滲入鋼內(nèi)的氫富集在管壁的應(yīng)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(yīng)力的加大形成微裂紋。由于裂紋尖端表面膜破裂，在此構(gòu)成大陽(yáng)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(cè)面由于具有一定的表面膜，抑制了溶解，或者說(shuō)溶解速度很小，因此構(gòu)成了宏觀所見的細(xì)窄裂紋。

掃描斷口觀察結(jié)果，開裂的斷口均呈脆性的準(zhǔn)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(méi)有腐蝕產(chǎn)物的侵入，仍保持較好的韌性狀態(tài)。進(jìn)一步證實(shí)：在濕硫化氫腐蝕介質(zhì)的作用下，管節(jié)基體呈現(xiàn)脆化而開裂。

3 結(jié)論與建議

（1）不銹鋼短節(jié)材質(zhì)中含有較嚴(yán)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(dāng)短節(jié)管承受拉伸的工作應(yīng)力時(shí)，夾雜物位置形成應(yīng)力集中，管內(nèi)腐蝕物質(zhì)在此位置形成腐蝕。因此短節(jié)基體中嚴(yán)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(yīng)力，說(shuō)明短節(jié)是在濕硫化氫介質(zhì)與應(yīng)力的共同作用下，基體發(fā)生脆化，產(chǎn)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(kuò)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(yīng)力相垂直；主裂紋周圍存在二次裂紋。進(jìn)一步證明該不銹鋼短節(jié)開裂為應(yīng)力腐蝕失效。

建議對(duì)所用不銹鋼管件材質(zhì)限定非金屬夾雜物含量控制標(biāo)準(zhǔn)，確保具有較高的純凈度；在系統(tǒng)的構(gòu)件組裝上，盡量降低裝配應(yīng)力和其他殘余應(yīng)力；加強(qiáng)管道系統(tǒng)運(yùn)行期間的監(jiān)控，保證不銹鋼聯(lián)結(jié)件在腐蝕環(huán)境下安全運(yùn)行。

［1］劉秀晨，安成強(qiáng).金屬腐蝕學(xué)［M］.北京：國(guó)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(yīng)力腐蝕開裂［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（6）：66.

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