沿海環境中保溫層下不銹鋼管的開裂原因

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(1. 新疆中油建筑安裝工程有限責任公司，烏魯木齊 830001; 2. 中石油廣西石化有限公司，欽州 535008;3. 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，沈陽 110180)

長期以來，國內煉化行業對保溫層下腐蝕(CUI)問題并不重視，很多學者在研究保溫時只關注保溫層材料的選擇和保溫效果[1]；而在研究設備腐蝕時只重視材料的耐蝕性[2]，忽視保溫層在使用過程中給設備、管道帶來的腐蝕問題[3-7]。隨著我國經濟飛速發展，能源消耗也迅猛增加，這加速了沿海地區大型煉油廠的發展。但是，設備材料在海洋工業大氣環境中的腐蝕十分嚴重，是在沙漠環境中的100～150倍[8]，因此，沿海企業的保溫層下設備管道的腐蝕問題更加突出[9]。

由于煉化企業的保溫層下管道主要為碳鋼，設計單位和使用企業均對保溫層下碳鋼管道采用外壁涂覆涂層后再覆蓋保溫層的防護方法，取得了良好的效果[10]。然而，由于不重視保溫層下不銹鋼管道的防腐蝕設計，在運行過程中設備、管道的失效事故時有發生[11-12]，嚴重時會引起不銹鋼管道失效，導致被迫停工，這不僅造成環境污染及經濟損失，同時也嚴重威脅著操作人員及附近人員的人身安全。

某沿海煉廠，除鹽水管道材質為304不銹鋼，壁厚4mm，管道內介質溫度為70℃，壓力為0.39MPa。采用硅酸鋁纖維針刺毯作為保溫層，外用0.6 mm厚鋁板包覆。服役4 a后，發現管道漏水，拆除保溫層后發現管道表面出現肉眼可辨的裂紋。本工作對該管道的失效原因進行了分析，找出了失效原因，以期為在類似環境中服役管道的設計、安全運行及日常檢測提供案例參考。

1 理化檢驗

1.1 外觀檢查

由圖1可見：管道外表面出現肉眼可見的樹枝狀裂紋，最寬裂紋達到0.5 mm；嚴重開裂部位腐蝕銹斑嚴重，呈黑色瘤狀物。將樣品表面打磨清理后發現管道外表面有明顯的氧化銹斑及大量腐蝕麻點，如圖2所示；觀察管道橫截面，裂紋呈現清晰的網狀形貌，裂紋由外表面向內表面延伸，如圖3所示。

圖1 管道外表面裂紋形貌Fig. 1 Crack morphology on the outer surface of the pipeline

圖2 管道外表面腐蝕形貌Fig. 2 Corrosion morphology on the outer surface of the pipeline

圖3 管道橫截面形貌Fig. 3 Cross section morphology of the pipeline

1.2 化學成分分析

截取失效管道基體進行化學成分分析，結果表明管道材質符合GB 13296-2007標準中對于304不銹鋼的要求，見表1。

1.3 金相組織

沿著失效樣品縱向進行切割，取樣品截面經過鑲嵌、拋光后進行觀察，發現裂紋起源于管道外表面，并以樹枝狀在管壁上由外向里擴展，見圖4(a)；局部放大后發現主裂紋起源于管道的外表面，并從外表面向內表面擴展，裂紋呈樹枝狀分布，裂紋未貫穿管壁，見圖4(b)；進一步放大后發現奧氏體組織清晰可辨，裂紋大部分貫穿奧氏體晶相，但也有部分裂紋沿晶擴展，見圖5。

表1 失效管道的化學成分Tab. 1 Chemical composition of the failed pipeline %

(a) 低倍

(b) 高倍圖4 裂紋形貌Fig. 4 Origin direction of cracks:(a) low mignification; (b) high mignification

圖5 裂紋擴展形貌Fig. 5 Propagation morphology of crack

1.4 腐蝕產物成分

失效試樣沿裂紋掰開，觀察裂紋斷面的形貌后發現，中段的裂紋呈片狀脫落，并有一層附著物覆蓋，見圖6。

圖6 裂紋斷口形貌Fig. 6 Fracture morphology of the crack

對附著物進行定點能譜(EDS)分析，檢測部位如圖7所示。由表1可見：斷口上存在大量的氧化物，還存在較多的氯化物。所以導致管道應力腐蝕開裂的主要腐蝕因子為氯離子。

(a) 位置1(b) 位置2

(c) 位置3(d) 位置4圖7 能譜分析位置Fig. 7 Analysis positions of EDS

1.5 顯微硬度

對裂紋區域的基體試樣進行顯微硬度檢測，結果發現，裂紋區域試樣的最小硬度為0.219 8 HV,最大硬度達到0.225 1 HV，管道的硬度不均勻。奧氏體不銹鋼設備或管道及附件等在成型過程中一般都需要進行冷加工，這個過程會引起較高的應力[13]，這為應力腐蝕創造了有利的條件。

表2 腐蝕產物的EDS分析結果Tab. 2 EDS analysis results of corrosion products

2 討論

通過對裂紋的宏觀和微觀特征進行觀察，可以判斷裂紋起源于外表面，并呈樹枝狀擴展，裂紋穿晶，為典型的奧氏體應力腐蝕開裂。結合使用斷面殘留物元素含量分析可知，引起奧氏體應力腐蝕開裂的主要腐蝕性離子是管道表面的氯離子。

沿海環境中空氣濕度大，含有一定量的鹽霧、以及工業污染物。雖然在管道表面采用吸水能力很小的硅酸鋁纖維毯覆蓋，但由于硅酸鋁纖維毯為多孔結構，有較大的表面積和表面能，同時有豐富的毛細管，使其具有較強的吸附能力。當硅酸鋁纖維毯表面的吸濕率超過允許極限時，勢必會引起相變，由水汽變為液滴，這些液態的水滴攜帶著鹽霧及腐蝕性雜質形成強的電解質溶液，有很強的腐蝕能力。而多孔材料之間存在溫度或濃度差，在孔隙間以滲流、擴散的形式由保溫層外表面向內表面發生遷移及能量傳遞[14]。當含有氯的腐蝕介質遷移到管道表面時，會侵蝕管道外表面，而且在管道表面局部區域富集，使奧氏體不銹鋼對氯離子應力腐蝕開裂敏感性明顯升高，在雨水的綜合作用下，氯離子富集濃縮，當氯離子達到一定濃度后，出現裂紋由管外壁向內壁擴展，導致奧氏體不銹鋼發生氯化物應力腐蝕開裂[15-16]。

3 結論與建議

海洋氣候環境中保溫材料的大比表面積，容易吸附水氣，導致管道表面氯離子富集，為應力腐蝕開裂提供了環境，管道平均硬度超標，存在著較高的殘余應力，為應力腐蝕創造了有利的條件，保溫層管道開裂失效是氯離子引起的奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂。

針對開裂情況，提出以下建議：廠內奧氏體不銹鋼設備、管道、閥門在設計時進行規定保溫材料的氯化物含量限值，并對輔助材料如水泥、黏合劑、填縫劑、膩子及包皮材料等均作了詳細規定。對保溫層下不銹鋼管道進行檢修時，建議采用PT(滲透測試),UT(超聲測試)等適合的檢測方法。