304 不銹鋼管線腐蝕開裂原因分析

文佳卉

（獨山子石化公司研究院，新疆 獨山子 833600）

由于具有優良的耐蝕性及綜合力學性能，鉻鎳奧氏體不銹鋼在工程中應用越來越廣泛。同時，許多學者對不銹鋼應力腐蝕開裂的研究日益廣泛和深入,并取得了相當大的進展。應力腐蝕裂紋常導致不銹鋼構件在低于設計應力、沒有任何明顯宏觀變形和不出現任何征兆的情況下突然迅速破裂,這不僅會造成巨大危害,也嚴重妨礙了不銹鋼的進一步推廣和應用。

1 情況概述

某裝置汽提單元自開工以來，位于汽提泵出口管線的光學視鏡石棉墊片多次發生泄漏。最近一次因泄漏更換石棉墊片后，發現視鏡下部管段仍有液體介質漏出，拆開保溫后發現視鏡下部管段已開裂。開裂管段材質為304 不銹鋼，規格Ф114×5mm。管線操作溫度100℃左右、壓力0.4MPa，外部有保溫層。內部介質為含有氯化鈣的膠粒水，其中氯離子含量約為38 ～54mg/L。

為了查明裂紋性質及產生原因，采取相應的防范措施，在失效部位進行取樣進行檢測分析。

2 檢查情況

2.1 宏觀檢查

通過檢查發現，開裂管段外壁有很多呈枯樹枝狀的裂紋,裂紋開裂方向既有沿軸向的，也有沿環向的，裂紋處及管段整體未見明顯變形，如圖1 所示。沿管段開裂部位橫向截斷，觀察裂紋處的管壁橫斷面，可見裂紋從外壁表面沿縱深方向擴展,其中主裂紋已經穿透，如圖2 所示。

圖1 開裂管段外表面裂紋

圖2 開裂管段管壁橫斷面

如圖3 所示開裂管段的內表面光滑，無腐蝕痕跡，除裂紋部位外均保持原始加工表面。將裂紋打開，觀察裂紋的斷面，可以看到斷裂方向基本垂直于表面，斷口平齊，表面為粗瓷狀，裂紋斷面由管段外表面的黑棕色向內表面過渡為棕灰色。斷口呈脆性斷裂特征，如圖4 所示。

圖3 開裂管段內表面裂紋

圖4 裂紋斷面

2.2 材質檢測

對開裂管段采用SPECTROLAB 直讀光譜儀進行元素成分分析，測定所用材料相當于304SS，符合相關標準要求。實際測定結果如表1。

表1 材料化學成分(質量分數/%)

2.3 硬度檢測

對開裂管段的裂紋附近部位進行硬度測試，其硬度平均值為179.3HV，硬度值在允許范圍內，接近最高值。

2.4 金相檢查

圖5 開裂管段斷面的裂紋形態

圖6 沿晶和穿晶混合裂紋

對開裂管段軸向上的裂紋切取試樣進行金相組織分析，試樣金相組織為奧氏體，晶粒均勻。觀察開裂管段斷面的裂紋微觀形態，可見裂紋均從管段外表面向內表面擴展，而且主裂紋旁邊出現旁枝裂紋，呈枯樹枝狀，詳見圖5。裂紋斷裂形式為穿晶+沿晶斷裂，以穿晶斷裂為主，屬于典型的應力腐蝕失效特征，詳見圖6。

3 管段開裂原因分析

3.1 腐蝕環境分析

膠粒水中含有作為分散劑的氯化鈣，在光學視鏡石棉墊片泄漏時，一定量的膠粒水滲入保溫層，一部分膠粒水直接滲透接觸到管線外表面，由于管線溫度達到100℃左右，使膠粒水濃縮，大量氯離子在管段外表面聚集。另一部分膠粒水蒸發成含有氯離子的水蒸氣，含氯離子的水蒸氣與管線外表面接觸，形成局部的蒸汽+氯離子的應力腐蝕環境。而304 奧氏體不銹鋼對含有氯離子的腐蝕介質具有敏感性，在高濃度氯離子作用下和大氣環境下，在管段外表面產生了發生應力腐蝕破裂的腐蝕條件。

另外，對于該管段內表面，膠粒水介質中氯離子含量約為38 ～54mg/L，但由于管段內表面光滑，介質處于流動狀態，不易形成局部氯離子聚集。同時，該管段應力水平相對較低，故管段內表面不具備發生應力腐蝕破裂的條件。

3.2 應力分析

從管線的工況分析可知，首先，泵工作時管線承受約0.4MPa 的內壓，使管段外表面處于承受環向拉應力的狀態；其次，在整個管線系統中存在管系應力：如溫差應力、彎曲應力、管段法蘭安裝時的拘束應力等；最后，開裂管段的硬度值接近合格范圍值上限，硬度值偏高，可以判定管段經過固溶熱處理后存在一定的殘余應力。從金相組織分析，裂紋為穿晶+沿晶形態，表明總體應力水平較低。但以上多種應力疊加后在管段外表面形成環向、軸向等多方向復雜的拉應力狀態。而應力腐蝕的開裂方向與管段所受應力的方向有關，一般沿應力垂直的方向擴展，故在該開裂管段表面形成了多方向的開裂形貌。

3.3 管段材質分析

汽提單元管線材料為304 奧氏體不銹鋼，而304 奧氏體不銹鋼是氯離子應力腐蝕的敏感材料。在環境中，氯離子含量達到一定值時，極易發生低應力腐蝕實效。

4 建議采取措施

（1）用戶正確安裝光學視鏡，防止視鏡的石棉墊片處頻繁泄漏。日常巡檢注意跑、冒、滴、漏現象。

（2）用戶調整氯化鈣的加入量，或使用不含氯離子的分散劑。

（3）汽提系統管線材質應更換為氯離子應力腐蝕敏感性低的材料（如雙相鋼2205）。

5 結語

汽提6503 泵的出口膠粒水管線開裂緣于304 奧氏體不銹鋼在含氯離子環境下的低應力腐蝕失效。光學視鏡的石棉墊片泄漏是造成本段管線外表面氯離子富集并最終形成應力腐蝕失效的主要原因，設計時采用不抗氯離子應力腐蝕的304 奧氏體不銹鋼是管段應力腐蝕失效的次要原因。