奧氏體不銹鋼管線開裂失效分析及預(yù)防措施

單婷婷(中國石化股份有限公司天津分公司裝備研究院，天津 300271）

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奧氏體不銹鋼管線開裂失效分析及預(yù)防措施

單婷婷
(中國石化股份有限公司天津分公司裝備研究院，天津 300271）

摘 要：某石化公司一奧氏體不銹鋼管線發(fā)生腐蝕開裂。本文通過宏觀檢驗、化學(xué)成分分析、金相檢驗和硬度檢驗等方法進(jìn)行失效原因分析，確定開裂原因為堿應(yīng)力腐蝕開裂，并提出了建議措施。

關(guān)鍵詞：開裂 應(yīng)力腐蝕 金相 硬度

0 管線腐蝕開裂情況

某石化公司水務(wù)部一車間在堿渣罐（100m3）防腐施工中，發(fā)現(xiàn)罐出口閥后約1m處的彎頭透過保溫有液體流出，通過氣味和手感判斷為堿渣。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)不銹鋼彎頭上端焊口外側(cè)有約170°弧度長度的裂紋，下端焊口外側(cè)也有一處裂紋。

該管線已建成投用兩年半，規(guī)格為DN50×5.5mm，材質(zhì)為304，介質(zhì)為脫硫制硫堿渣、氣分堿渣和氣分堿洗水，堿渣的主要成分為硫酸鈉和亞硫酸鈉，其濃度為5%～10%，操作溫度為常溫，冬季用180℃蒸汽進(jìn)行伴熱。

1 檢驗與分析

1.1 宏觀檢驗

宏觀觀察開裂的直管及彎頭，均無明顯塑性變形，呈脆性開裂。管線的直管及彎頭側(cè)的熱影響區(qū)均存在裂紋，裂紋主要沿環(huán)向開裂，如圖1所示。

圖1 開裂管線的外壁

圖2 沿壁厚剖開后的裂紋擴(kuò)展形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對開裂的管線取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，管線的化學(xué)成分符合參考標(biāo)準(zhǔn)GB 9948-2006《石油裂化用無縫鋼管》中規(guī)定304的含量范圍。

表1 管線的化學(xué)成分分析結(jié)果

1.3 金相檢驗

將管線按圖2所示剖開，應(yīng)用PMG3-613U金相顯微鏡進(jìn)行檢驗。彎頭側(cè)的裂紋由內(nèi)向外的擴(kuò)展形貌見圖3，從圖上可見，裂紋呈樹枝狀擴(kuò)展，主裂紋以穿晶為主，尖端存在穿晶及沿晶混合形貌，裂紋縫隙中充滿腐蝕產(chǎn)物，裂紋整體具有較明顯的應(yīng)力腐蝕開裂特征[1]。

焊縫組織為奧氏體+鐵素體，組織均勻，未見異常，見圖4。直管、彎頭的母材及熱影響區(qū)的組織均為奧氏體，局部存在孿晶，組織中存在較多的碳化物，見圖5-圖8所示。

GB 9948-2006《石油裂化用無縫鋼管》中規(guī)定304不銹鋼管應(yīng)在固溶處理后交貨，從圖4-圖8中可見，直管及彎頭的金相組織中存在孿晶，且含有較多的碳化物，分析直管及彎頭在成型后并未經(jīng)過有效的固溶處理。

圖3 彎頭側(cè)熱影響區(qū)裂紋由內(nèi)向外的擴(kuò)展形貌（低倍下觀察，左端為內(nèi)壁）

圖4 焊縫組織-200倍

1.4 硬度檢驗

應(yīng)用HBS-3000型布氏硬度計對開裂管線的直管、彎頭及焊縫等進(jìn)行硬度檢驗，結(jié)果見表2，檢測部位的硬度值較為均勻，未見異常。

圖5 直管側(cè)熱影響區(qū)組織-200倍

圖6 直管母材組織-200倍

圖7 彎頭側(cè)熱影響區(qū)組織-200倍

圖8 彎頭母材組織-200倍

圖9 304不銹鋼材料產(chǎn)生堿脆的濃度與溫度關(guān)系圖

表2 管線的硬度檢驗結(jié)果

2 失效分析結(jié)論

從上述檢驗情況分析，不銹鋼管線的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求、硬度值未見明顯異常。金相檢驗中發(fā)現(xiàn)裂紋在管線內(nèi)壁的焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生，由內(nèi)向外擴(kuò)展，具有較明顯的應(yīng)力腐蝕開裂特征，同時，管線未經(jīng)過有效的固溶處理。

開裂管線的操作介質(zhì)為脫硫制硫堿渣等，呈堿性，操作溫度為常溫，該條件下，奧氏體不銹鋼一般不易發(fā)生氯化物、堿等的應(yīng)力腐蝕開裂。但是，由于介質(zhì)堿渣中含有固體顆粒，容易在焊縫附近出現(xiàn)堆積，會使局部堿液的濃度升高；同時，冬季采用180℃蒸汽對管線進(jìn)行伴熱，容易使管線內(nèi)壁的溫度升高，按照GB/T 30579-2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》中關(guān)于堿應(yīng)力腐蝕開裂的相關(guān)規(guī)定：存在介質(zhì)濃縮條件時，當(dāng)堿濃度超過5%時，就可能發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開裂，且隨著堿濃度和溫度的升高，開裂敏感性逐漸增大。根據(jù)有關(guān)資料的研究結(jié)果[2]，304不銹鋼的堿應(yīng)力腐蝕開裂敏感性曲線一般如圖9所示，從圖中可以看出，當(dāng)溫度高于120℃時，在存在濃縮環(huán)境下，304奧氏體不銹鋼容易發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開裂。

同時，根據(jù)宏觀檢驗的情況，開裂管線的焊接接頭存在錯邊等成型不良缺欠，這些缺欠增大了焊接接頭的局部應(yīng)力，促進(jìn)了管線的開裂。

綜合上述分析結(jié)果，水凈化一車間管線的開裂原因為304不銹鋼在堿環(huán)境下，發(fā)生了堿應(yīng)力腐蝕開裂。

3 建議措施

（1)不銹鋼管件應(yīng)進(jìn)行有效的固溶處理；

（2）冬季在滿足管線內(nèi)介質(zhì)不結(jié)冰的條件下，盡量降低伴熱溫度，同時，伴熱不能間歇使用；

（3）返修焊接過程中，避免錯邊等缺欠；

（4）建議對其他未開裂的焊接接頭擇機(jī)進(jìn)行射線檢測。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院.煉油裝置防腐蝕策略[M].北京：中國石化出版社，2010：9

[2] 李峰.304L在高溫堿性溶液中應(yīng)力腐蝕開裂的研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué),2006：54-67

中圖分類號：TE980.43

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.063.03

作者簡介：單婷婷（1983-），女，湖南岳陽人，碩士，工程師，主要從事設(shè)備腐蝕研究與防護(hù)工作。

Failure Analysis of Cracking and Preventive Measure on Austenitic Stainless Steel Pipeline

SHAN Ting-Ting
(SINOPEC Tianjin Branch Equipment and Instrument Research Institute, Tianjin 300271, China)

Abstract：This article introduced the corrosion cracking on austenitic stainless steel pipeline in a petrochemical company.The failure of cracking was examined by visual inspection，chemical composition analysis，metallographic examination and hardness test.The main reason of this cracking failure was stress corrosion with the existence of alkali substance and several preventive measures were suggested to avoid such corrosion.

Keywords:cracking; stress corrosion; metallography; hardness