液態烴管道的開裂原因分析

段智文 孫建宇

摘 要：為查明某煉油廠液態烴管道開裂的原因，對開裂部位進行了一系列理化檢驗分析。結果表明：液態烴管道與支座連接部位的斷裂機理以硫化物應力腐蝕開裂為主，Cl-和帶狀組織對開裂起促進作用。

關鍵詞：硫化物應力腐蝕開裂;氫致開裂;硫化物夾雜

液態烴泛指在常溫常壓下為液態的烴類，煉油行業有時專指液化石油氣。常溫、常壓下為氣態只有在壓力和降溫條件下才能變成液態，在中產過程中常稱為液態烴，其中常含有腐蝕性介質對煉化設備產生腐蝕。某煉油廠重催裝置的液態烴管道使用8年后，在管道與支座連接部位發生斷裂，直接影響重催裝置的安全生產運行。本文通過宏觀檢查、硬度測定、光譜分析、金相分析、斷口掃描電鏡及能譜分析，探討了管道開裂的原因，同時為避免該類失效提出了一定的建議。

1 液態烴管道概況

管道材質為20鋼，規格為Φ57×3.5mm。操作壓力為1.3MPa，操作溫度為20～50℃，工作介質為液態烴（碳三、碳四、碳五;其中S含量為8509ppm）。

2 檢查分析

2.1 宏觀檢查

圖1為液態烴管道開裂部位的宏觀形貌，可見開裂管段內外表面均覆蓋著褐色腐蝕產物如圖1（a，b）所示，管段與支座焊接連接處存在一處斷裂，整體斷面與軸向約呈45度。斷口呈不規則形狀，局部突出，無金屬光澤，無明顯塑性變形如圖1b所示。根據斷口形貌特點，可將其分為三個區域，原始開裂區、裂紋擴展區及瞬斷區，原始開裂區表面較平整，為脆性斷裂的特點。在三個典型區域分別取1#、2#、3#樣品作為掃描電鏡分析樣品，2#樣品同時進行金相分析，如圖1b所示。

2.2 硬度測定

采用TH160里氏硬度測定儀對開裂管段進行了里氏硬度測定，硬度測定結果由表1所示，硬度單位HL。由表1可見，開裂管段外表面硬度值為370～416HL，根據GB/T17394-1998《金屬里氏硬度實驗方法》，將里氏硬度轉化為布氏硬度滿足GB/T699-2015《優質碳素結構鋼》對20鋼的要求。

2.3 光譜分析

采用直讀光譜儀對液態烴管道的化學成分進行了光譜分析，結果如表2所示。由表2可見，管道的化學成分符合GB/T699-2015《優質碳素結構鋼》對20鋼的要求。

2.4 金相分析

2#樣品的徑向截面金相組織如圖2所示，可見管道金相組織為珠光體+鐵素體，且局部存在珠光體的帶狀組織。

2.5 斷口掃描電鏡與能譜分析

2.5.1 斷口掃描電鏡分析

采用日本電子JSM-6510掃描電鏡對1#樣品進行微觀形貌分析，如圖3所示，可見斷口表面呈現解理開裂形貌，為脆性開裂的典型特點。2#樣品的掃描電鏡形貌如圖4所示，由圖4（a，b）可見管道與支座連接處熱影響區出現較多球狀夾雜;由圖4c可見，近內壁區存在裂紋，裂紋平直且由內壁向外壁擴展;近內壁區存在大量不連續的氫致孔洞，如圖4d所示。

2.5.2 能譜分析

采用英國牛津的能譜儀X-Max20對1#樣品表面腐蝕產物進行能譜分析，分析結果如圖5和表3所示，可見S、Cl含量很高，這兩類腐蝕性元素為應力腐蝕開裂提供了介質條件。對3#樣品即瞬斷區樣品進行能譜分析，結果如表4所示，可見管道材質中存在較多的硫化物夾雜。

3 討論

根據光譜分析及瞬斷區能譜分析結果可見管道材質中存在大量的硫化物夾雜，同時，由金相分析可知管道組織中存在珠光體的偏析帶，周琦等[1]提出即使鋼組織中沒有MnS夾雜物，只要存在一定量的帶狀組織，就會導致氫致開裂。開裂部位處于管道與支座的焊接連接處，此處受焊接過程的影響，存在大量殘余應力。此外管道內部存在工作應力，兩類應力共同為應力腐蝕提供了應力條件。管道在運行過程中，支座與管道的焊接部位內壁缺陷處為裂紋源，在介質中的硫化物及應力的作用下發生硫化物應力腐蝕開裂，裂紋不斷擴展。介質中的Cl-對20鋼的應力腐蝕起促進作用[2]，同時材質中的帶狀組織引起的氫致開裂對開裂也起一定的促進作用，最終導致管道開裂。

4 結論

①材質金相組織局部存在帶狀組織;

②管道的開裂以硫化物應力腐蝕開裂機理為主。

5 建議

優化安裝工藝，焊后進行消除應力熱處理;嚴格控制生產工藝減少介質中的硫含量;做好管道定期檢驗工作。

參考文獻：

[1]周琦，季根順，張建斌等.管道鋼中的硫化夾雜物與氫致開裂[J].材料工程，2002（9）：37-39.

[2]蔡志安，李春福.20鋼在不同介質中的硫化物應力腐蝕開裂敏感性[J].機械工程材料，2014，38（01）：64-67.

作者簡介：

段智文（1987- ），男，籍貫：甘肅省蘭州市，本科，工程師，研究方向：無損檢測技術。

孫建宇（1994- ），男，籍貫：甘肅省蘭州市，本科，助理工程師，研究方向：無損檢測技術。