柴油加氫裝置換熱器出口管線的失效原因

單廣斌，劉小輝，李貴軍，黃賢濱，屈定榮

（中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，青島266071）

某柴油加氫裝置的反應流出物與原料油換熱器出口管線，在運行過程中出現泄漏，見圖1。進一步檢查發現該管道在焊縫和母材均出現裂紋，為了查明裂紋產生的原因，本工作對其開展了失效原因分析。

圖1 失效管道位置照片及示意圖Fig.1 Photo and schematic diagram of the failed pipeline

失效管道材質為TP321，尺寸為φ114 mm×11 mm，內部介質為直餾柴油和催化柴油，操作壓力為8 MPa，操作溫度150℃。

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀檢查

由圖2可見：失效管段外表面比較光滑，無明顯腐蝕坑點，焊肉飽滿，未見明顯腐蝕痕跡；內表面存在灰黑色垢污附著；清洗后，可見細小腐蝕坑和多處裂紋；管道橫截面上可見眾多細小裂紋，表明裂紋起源于內表面，并沿徑向向外表面擴展，觀察管道厚度未見明顯的腐蝕減薄；從管道內側觀察主裂紋，裂紋起源于焊縫熱影響區，并向遠離焊縫方向擴展，如圖2（e）所示。

1.2 化學成分

采用OBLF QSN750火花直讀光譜儀對失效管段的化學成分進行分析，結果見表1。

化學成分分析結果表明：失效管道的化學成分符合ASME SA－312 TP321的技術要求，即失效管道的化學成分是合格的。

1.3 組織形貌

沿失效管道的橫向取樣，經鑲嵌、打磨、拋光和侵蝕后，觀察試樣的裂紋形貌及其微觀組織。由圖3可見：裂紋呈樹枝狀擴展；采用王水溶液侵蝕后，觀察到管道截面的金相組織主要為奧氏體組織，分布有氮化物、氧化物、碳化物等夾雜物，晶粒均勻，采用比較法評級約為6級；裂紋擴展以穿晶為主。

圖2 失效管段宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the failed pipeline：（a）appearance of the outer surface；（b）appearance of the inner surface（before cleaning）；（c）appearance of the inner surface（after cleaning）；（d）sectional morphology of the pipeline；（f）morphology of the main crack on the inside of the pipeline

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

1.4 顯微硬度

對失效管道的橫截面進行顯微硬度測試，母材試樣的顯微硬度為HV169，焊縫及熱影響區的顯微硬度約為HV234（≈HB 232）和HV209。

圖3 失效管道的裂紋形貌及其微觀組織Fig.3 Crack morphology（a）and microstructure（b）of the failed pipeline

1.5 管道腐蝕產物的物相

失效管道內部刮取裂紋附近的腐蝕產物，對其進行XRD分析，結果表明，腐蝕產物的主要物相為氯化銨及鐵的硫化物和氧化物。

1.6 微觀形貌及成分

管道內表面覆蓋垢污，導電性差，電荷易積聚，表面形貌難以看清。將其中一條裂紋沿裂紋面打開，采用掃描電鏡（SEM）觀察，表面覆蓋薄層腐蝕產物，可見解理特征。對裂紋面進行EDS分析，其主要元素有C、O、Si、S、Cl、Cr、Fe、Ni、Ti等，見圖4，其中Cl的質量分數為0.98%，S的質量分數為0.95%。

2 討論

圖4 裂紋面形貌及能譜分析結果Fig.4 Crack surface morphology（a）and EDS analysis results（b）

由失效管道裂紋面的微區元素分析以及管道內表面垢污的成分分析可知，管道內存在大量氯化物，同時腐蝕產物中還含有鐵的硫化物。由于管線采用TP321鋼（18-8奧氏體不銹鋼）制成，在氯離子環境中易發生點蝕和氯化物應力腐蝕開裂。此外，硫化氫環境也可引發其應力腐蝕開裂。奧氏體不銹鋼的氯化物應力腐蝕開裂多發生在60℃以上，在120℃以上敏感性很高，有研究表明，當溫度為120～200℃時，10 mg／L Cl－即可導致18-8型不銹鋼發生應力腐蝕開裂［1-2］，失效管道操作溫度為150℃，為氯化物應力腐蝕開裂的敏感溫度區間。此外裂紋面的EDS分析結果顯示，Cl－的質量分數高達0.98%，Cl－含量升高，應力腐蝕開裂敏感性也會有所增加［3］。在該環境中，管道具有高的氯化物應力腐蝕開裂敏感性；18-8奧氏體不銹鋼在H2S環境中的應力腐蝕開裂敏感溫度約為22℃，溫度升高開裂敏感性反而降低［4］，在150℃環境中，H2S引起的腐蝕開裂敏感性低。另一方面奧氏體組織對硫化物應力腐蝕開裂的敏感性也比較低，因此可以判斷，H2S在該處管道開裂失效過程中主要起“毒化”作用，對腐蝕開裂起主要作用的是Cl－。

管道腐蝕形貌觀察結果表明，管道無明顯腐蝕減薄，也無明顯塑性變形，內表面存在麻點狀點蝕坑，裂紋多分叉呈現樹枝狀，裂紋擴展以穿晶為主，這些特點也均符合氯化物應力腐蝕開裂的特征。因此，綜合考慮，可以判定管道失效為氯化物的應力腐蝕開裂。

應力腐蝕開裂除了敏感材料和敏感環境兩個條件之外，還需要具備一定的應力條件。失效管道的應力主要來源于工作應力和殘余應力。焊縫及熱影響區硬度較高，相應該區域的殘余應力水平較高。殘余應力和工作應力共同作用足以提供發生腐蝕開裂的應力條件。此外，當點蝕或裂紋產生，有效厚度的變化以及應力集中都會提升局部的應力水平，從而加速應力腐蝕的發生和發展。

3 結論與建議

（1）失效管段的化學成分符合SA－312 TP321要求。

（2）管道開裂為奧氏體不銹鋼的氯化物應力腐蝕開裂。

（3）應嚴格控制物料中的氯化物的含量。

（4）加強焊接質量管理，控制焊縫及熱影響區硬度≤200HB。