304不銹鋼膠粒水管道腐蝕開裂分析

李軼卿，薛鑒鵬，張功超

(中國石油獨山子石化公司乙烯廠，新疆 獨山子 833699)

中國石油獨山子石化分公司乙烯廠橡膠聯合車間橡膠裝置SSBR生產線膠粒水管線自汽提釜用泵將膠粒水輸送至后處理初級脫水振動篩。自2017年6月至2018年3月以來SSBR膠粒水線出現6次泄漏，嚴重影響生產線正常生產計劃。通過對該膠粒水管線泄漏段進行化驗分析，為評估該膠粒水管線運行性能以及為更換膠粒水管線提供依據。

1 膠粒水管道腐蝕情況

膠粒水管道運行參數：材質304，介質為膠粒水，膠粒水溫度 98～108℃，膠粒水壓力 0．6～0．7MPa，規格φ114×3mm。在日常工藝操作開停車程中膠粒水管道會出現壓力驟升以及膠粒水與低壓蒸汽交替流通的操作工況。

通過對膠粒水管道的現場腐蝕開裂情況觀察，管道的開裂部位出現在管線中間、焊縫附近或管托支撐區域附近，圖1是膠粒水管道的宏觀腐蝕形貌。分析圖1可知，膠粒水管道焊縫部位的管道表面有明顯的黃褐色腐蝕產物銹跡，布滿縱向腐蝕裂紋，局部裂紋寬度較大，且裂紋擴展后相互交錯，導致在運行過程中出現泄漏。

2 腐蝕分析

2.1 成分分析

圖1 膠粒水管道宏觀腐蝕形貌

采用德國SPECTRO Lab． M11型固定式光譜儀對管道母材及焊縫部位成分進行分析，結果如表1所示。分析表1可知，膠粒水管道的母材和焊縫成分均符合ASME SA-312中TP304牌號的元素含量要求。

2.2 腐蝕介質分析

丁苯橡膠裝置在生產工藝上為防止膠粒發生聚合反應，在汽提單元加入了含有CaCl2水溶液的分散劑，導致汽提后的膠粒水中含有腐蝕介質氯離子，由于氯離子會誘發奧氏體不銹鋼發生應力腐蝕開裂，因此，對氯離子進行了分析監測，表2為裝置后處理單元1000線振動篩、擠壓機部位膠粒水中氯離子的腐蝕監測數據。分析表2數據可知，膠粒水中確實存在氯離子，且氯離子含量較高，300系列的不銹鋼對氯離子都比較敏感，氯離子增加，開裂的可能性就會增加，而且氯化物應力腐蝕開裂沒有最低氯離子濃度的限制，因為氯離子會發生濃縮，因此氯離子的存在給該304材質的膠粒水管道開裂提供了發生條件。

表1 膠液水管道成分分析（wt%）

表2 膠粒水中氯離子含量分析數據

2.3 金相分析

在膠粒水管道的裂紋尖端部位沿厚度方向切取截面樣進行分析，圖2為膠粒水管道裂紋尖端部位厚度截面金相圖。分析圖2可知，膠粒水管道的金相組織為奧氏體組織，裂紋走向呈典型的樹枝狀分布，貫穿整個厚度截面，且帶有明顯的應力腐蝕開裂特征，裂紋形貌為穿晶開裂。

圖2 膠粒水管道厚度截面金相組織圖

2.4 能譜分析

對斷口部位的表面成分進行了能譜分析，分析結果如圖3所示。分析圖3可知，該斷口表面成分主要以O、Si、Ti、Cr、Fe元素為主，還含有少量的腐蝕性元素，即Cl元素。

圖3 斷口表面能譜分析

2.5 腐蝕開裂原因分析

綜合上述膠粒水管道的成分分析、腐蝕介質分析、金相分析及能譜分析，膠粒水管道材質為304奧氏體不銹鋼，其對應力腐蝕開裂較為敏感，且膠粒水中含有大量的氯離子，大大增加了奧氏體不銹鋼發生應力腐蝕開裂的可能性。此外，管道在冷加工過程中不可避免的存在冷變形應力，在這些條件的影響下，膠粒水管道具備了出現應力腐蝕開裂的可能性。在工藝運行工況中易出現驟冷驟熱以及壓力驟升等工況，也會導致管線出現應力腐蝕狀況。從金相分析可知，裂紋形貌為枝狀的穿晶裂紋，帶有明顯的應力腐蝕開裂特征。裂紋斷口表面的能譜分析結果進一步表明裂紋尖端含有腐蝕性元素氯元素，可見，膠粒水管道的腐蝕開裂為氯化物應力腐蝕開裂。

3 防護對策

（1）從腐蝕介質的角度考慮，在不影響工藝生產的條件下將氯離子濃度降低到最小值，降低管道開裂的風險。

（2）采用超低碳不銹鋼，如304LN或者316L，降低敏化溫度區碳化物的析出量，提升材質的耐蝕能力。

（3）在管道焊接過程中，應考慮優化焊接工藝，減少焊接過程中熱影響區敏化溫度段的停留時間，降低發生敏化的風險，減少晶界缺陷，提高材料耐蝕能力。

（4）鎳含量較高的合金具有抵抗應力腐蝕開裂的能力，可考慮在局部采用高鎳含量的合金管道。

（5）可考慮在金屬管道內壁進行粉末涂層處理，其耐溫耐壓，抗腐蝕能力較好。

（6）改善運行工況，避免出現溫度驟升驟降及壓力驟升的情況。

（7）提高管線厚壁，從而延長管線使用壽命。

4 試用過的防腐措施

（1）試用內襯聚四氟乙烯使用情況：試用6個月，受熱材質變軟，在物料沖刷的情況下內襯涂層斷裂，試用失敗（圖4）。

圖4

（2）試用熱固熔涂料的情況：試用1年出現局部脫落情況，工藝產品不能接受輕微脫落，污染產品的情況，涂層試用失敗（圖5）。

圖5

（3）試用厚壁316材質情況：2011年6月試用厚壁（6．5mm）的316L材質，直到2018年2月仍未出現裂紋缺陷，基本成功（圖6）。

5 結語

由于工藝條件無法改變，采取使用厚壁為6．5mm的316L材質的管材是有效的措施，使用該措施的優點有降低由于泄漏導致人員燙傷的風險；降低由于泄漏造成的環境污染；實現兩個生產周期無故障的完好狀態，避免由于泄漏造成的停工。缺點有材料成本增加50%，安裝成本增加10%。

圖6

綜上所述，綜合考慮成本，包含環境成本和人員成本，采取使用厚壁為6．5mm的316L材質的管材是最有效的措施。

[1]黃伯云主編．有色金屬材料手冊[M]．北京：化學工業出版社，2009．

[2]左景伊主編．常用腐蝕數據手冊[M]．北京：化學工業出版社，1985．