304 管道應力腐蝕開裂原因分析和應對措施

朱泗穎

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

1 概況

1.1 304 不銹鋼管概述

奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中Cr 含量是18%、Ni 含量8%～25%、C 約0.1%時，具有穩定的奧氏體組織。奧氏體不銹鋼牌號主要有302、304、304 L。奧氏體不銹鋼有4 種特性：無磁性、高韌性、高塑性、低強度，能通過冷加工進行強化。無磁性，不能通過相變，只能通過冷加工強化，與鐵素體鋼相比，其熱導率低而線勝系數大。如加入S、Ca、Se、Te 等元素，則具有良好的易切削性。優良的耐蝕性及冷加工沖壓性,低溫性能好,在-180 ℃的條件下力學性能仍佳.是奧氏體型不銹鋼生產和用量最多的牌號之一,如輸酸管道、容器以及非磁性部件。缺點：價格昂貴，容易產生晶間腐蝕，容易產生刀口腐蝕。

生產中廣泛采用先進技術，如爐外精煉率達到95%以上，連鑄比超過80%，高速軋機和精、快鍛機等普遍推廣。特別是在冶煉和加工過程中實現電子計算機控制，保證了產品質量和性能的可靠和穩定。304不銹鋼管也會生銹，原因是不銹鋼表面具有富鉻氧化膜（保護膜）以防止氧原子滲透和氧化，從而獲得抗腐蝕能力[1]。一旦出于某種原因，這種薄膜不斷被破壞，空氣或液體中的氧原子將繼續滲透或金屬中的鐵原子將繼續分離出來，形成松散的氧化鐵，金屬表面也會不斷生銹。沒有固溶處理的合金不會溶解到基體中，導致基體合金含量低。

奧氏體不銹鋼管在石油石化行業應用廣泛，在除鹽水管線、苯酚管線、一乙二醇等介質管線都使用304 不銹鋼管道。在實際使用過程中，出現過304 管線焊縫位置開裂、直管段開裂等問題。304 管線一旦發現開裂問題，基本上都是大面積出現，對生產影響大，危害嚴重。因此通過分析304 不銹鋼管線開裂問題，總結出應對措施。為同行業同類問題提出解決方案。

1.2 304 不銹鋼管制造工藝

現在世界上鋼管采用的主要制造工藝有鍛造膛孔，熱擠壓、以及冷拔等方式，國內不銹鋼生產有冷軋與冷拔，不銹鋼生產工藝冷軋要優于冷拔。根據金屬塑性變形的特點,冷軋工藝優于冷拔工藝主要表現在，冷軋的工藝有以下優點：

1）管材尺寸精度高；

2）表管材面質量高；

3）金相組織均勻致密,抗腐蝕性能好；

4）冷軋的道次變形量大,能細化晶粒度,而晶粒越細,晶界數量就越多,其強化效果好，因為晶界強化,不僅可以提高強度，還可以改善鋼的韌性；

5）經過冷軋的鋼管高溫力學性能優于冷拔的鋼管；

6）冷軋加熱處理能把不銹鋼晶粒度控制在狹小范圍。不銹鋼管冷軋與冷拔結果，如表1 所示。

表1 不銹鋼管冷軋與冷拔結果

1.3 苯酚不銹鋼管道裂紋

苯酚管線，管線設計采用304 奧氏體不銹鋼，巡檢發現管線底部有滲漏，安排現場搭設腳手架，維護人員穿戴好防護服后拆除保溫層。1#裂紋位于電伴熱線旁邊，裂紋附近有苯酚介質和電伴熱線粘接帶用的膠體。

通過打磨清理干凈苯酚管道裂紋附件雜物，通過無損檢測PT 發現直管段存在1#裂紋，裂紋形貌如圖一所示。擴大檢測范圍，又發現2#和3#缺陷。苯酚管線PT 無損檢測裂紋形貌，如圖1 所示。

圖1 苯酚管線PT 無損檢測裂紋形貌

2 苯酚不銹鋼管線裂紋原因分析

2.1 保溫材料成分分析

采用儀器：X 射線衍射儀，掃描電子顯微鏡及能譜分析儀。首先分析硅酸鋁保溫材料成分。結果可見：主要含有O、Al、Si 元素，其次含有微量的Cl 元素。保溫材料能譜分析結果，如圖2 所示。

圖2 保溫材料能譜分析結果

2.2 電伴熱膠帶成分分析

苯酚管線在1#裂紋位置，發現有黃色膠狀物質，為電伴熱線粘貼膠帶，對電伴熱粘貼膠帶進行成分分析。結果可見：主要含有C、O 元素。

2.3 裂紋位置金相分析

1#裂紋處：孿晶奧氏體組織，晶粒度2.5 級，呈樹枝狀沿晶裂紋分布，表面淺磨、淺侵蝕。由圖可以發現，裂紋沿著表面延伸，呈閃電狀，有很多二次裂紋，和應力腐蝕裂紋特征相似。1#裂紋金相組織，如圖3所示。

圖3 1#裂紋金相組織

2#裂紋處：孿晶奧氏體組織，晶粒度3 級，呈樹枝狀沿晶裂紋分布，表面淺磨、淺侵蝕。2#裂紋金相組織，如圖4 所示。

圖4 2#裂紋金相組織

3#無裂紋處：孿晶奧氏體組織，晶粒度3 級，表面淺磨。3#裂紋通過輕微打磨后，再次做PT 檢查，裂紋不存在。3#裂紋金相組織，如圖5 所示。

圖5 3#裂紋金相組織

2.4 空氣中氯離子浸入

苯酚不銹鋼管線位于碼頭9#泊位，1#裂紋位置處在水平管段，泊位在海上方，空氣中常年存在鹽霧。苯酚管線保溫層局部接口位置存在開裂情況，空氣中鹽霧隨著雨水侵入到保溫材料中。

苯酚管線采用電伴熱，管道沿著周向均勻分布6 條電伴熱加熱線，其中3 條為主用線路，另外3 條為備用線路。苯酚管線操作溫度55℃，電伴熱加熱線溫度120 ℃，保溫材料中存在溫度梯度，電伴熱在日常切換過程中，保溫材料中溫度不斷變化，電伴熱點附近水汽蒸發，形成氯離子濃縮條件。

3 苯酚不銹鋼管線開裂應對措施

3.1 苯酚不銹鋼裂紋修復措施

苯酚別名石炭酸、酚、羥基苯，是一種具有特殊氣味的無色針狀晶體。腐蝕性極強。化學反應能力強。苯酚是危險的化學品之一，皮膚接觸或眼睛接觸是非常危險的，組織損傷的量取決于接觸的長度，眼睛接觸可能導致角膜損傷或失明，皮膚接觸會產生炎癥和起泡。嚴重的過度接觸會導致肺損傷，窒息，意識不清或死亡。

在掌握苯酚特性后，結合苯酚介質特殊性，制定苯酚不銹鋼管線裂紋修復方案。1#裂紋是穿透性裂紋，長度170 mm 橫向裂紋且有苯酚介質滲漏，管線規格：規格型號為Φ273.1 mm×9.27 mm。需對裂紋漏點進行處理。由于苯酚裝置正常生產，管道無法處理合格交付檢修，局部更換管段方案不具備施工條件。綜合考慮在開裂位置管線外部進行包管方式進行處理。

包管的焊接采用氬電聯焊，焊絲采用H08Mn2SiA，焊條采用A132 不銹鋼焊條，直徑為Φ3.2 mm。鑒于苯酚的危害性，作業人員作業必須佩戴配戴面屏+全身式苯酚防護服+防化學品手套+防護學品雨靴，防止在焊接過程中有苯酚滲漏，一旦接觸到皮膚和眼睛，將產生嚴重后果。焊接順序要求如下：先焊接對接焊口，待對接焊口焊接好后再焊接管材兩端環向焊縫，為更好消除應力，焊接過程中不允許兩端同時焊接，焊接好一端后再焊接另一端。焊接接頭組對前對管線處理，用手工或機械方法清理其內外表面，在坡口20 mm 范圍內不得有油漆、毛刺、銹斑、氧化皮及其他對焊接有害的物質。

包管前檢查裂紋滲漏處堵漏完好性，如有苯酚介質滲漏，要求帶壓堵漏人員對滲漏點重新進行包扎處理。確保裂紋處無苯酚介質滲漏。確認堵漏完好的情況下根據新管材尺寸將管線上的需焊接管材兩端位置的打磨光滑，裝上包管材料，并用軋帶將管材綁緊。焊接前進行一次分析可燃氣體，合格后進行點焊固定。在焊接過程中每隔15 min 對可燃氣體進行一次分析，合格后方可繼續作業，發現異常馬上停止作業。焊接過程中為防止電伴熱帶灼傷作業人員，應對電伴熱進行停電，對電伴熱帶進行保護，對管線電伴熱帶用防火布進行包扎做好保護措施。

通過學習苯酚特性，制定合理施工方案，1#裂紋位置包管焊接順利完成，焊縫檢測合同。包管處理已使用6 個月，檢測未發現滲漏情況。

3.2 同類不銹鋼管線問題處理措施

參照除鹽水不銹鋼管線開裂治理實踐經驗，除鹽水管道材質：304，操作溫度90 ℃，操作壓力：1.0 MPa。管道外包硅酸鋁卷氈。管道在使用過程發現10 多處穿透性裂紋情況，裂紋都不在焊縫位置。開裂原因可能是除鹽水氯離子應力腐蝕、保溫層下氯離子應力腐蝕、除鹽水介質堿[2]，分析如下：

除鹽水的pH 值是8.8～9.3，通過分析三次連續分析，除鹽水氯離子含量分別是0、0.4、0.1 mg/L，由于操作溫度低于90 ℃，不存在氯離子濃縮效應。

除鹽水含有一定量鈉離子，通過采樣分析含量小于0.02 mg/L，奧氏體不銹鋼和碳鋼發生堿脆的條件相近，但敏感性低于碳鋼。碳鋼發生堿脆的條件。堿脆只要發生在未經焊后熱處理的焊縫位置，通常從焊接缺陷開始向外延伸。與本次裂紋位置不同。

保溫層下腐蝕主要發生在在介質溫度121 ℃條件下，廠區位于海邊，空氣中含有鹽霧。保溫外的保護層如果存在開口、接口密封不嚴等情況，氯離子隨著雨水進入保溫層，隨著氣溫變化，水汽蒸發，存在氯離子在保溫層內濃縮情況。

綜上分析，分析除鹽水不銹鋼管線開裂是由于空氣中氯離子侵入保溫層，隨著時間、溫度變化，氯離子濃度逐步提高，進而發生應力腐蝕。除鹽水管線采用管線防腐后，管線開裂問題徹底解決。

3.3 對苯酚管線防腐處理

管道表面處理：經過噴砂處理的管線表面，4 h 內涂刷底漆，若不能及時涂刷底漆或在涂刷前被雨淋濕，發現新銹、水漬或污染物，再涂刷底漆前要重新表面處理。噴砂處理的磨料和壓縮空氣應清潔、干燥，沒有油脂和污染物，磨料不能使用硅石砂。

防腐工藝：底漆采用環氧樹脂底漆，干膜厚度80 μm，中間漆采用環氧云鐵，干膜厚度100 μm。涂料不能含有鋁、鉛、鋅。防腐目的是防止保溫材料和空氣中鹽霧中氯離子浸入到不銹鋼管線表面，解決氯離子應力腐蝕開裂問題。已完成涂刷的管線，在電伴熱和保溫安裝過程不能損壞防腐層。

保溫材料:選用絕熱用硅酸鋁及制品，保溫材料采用硅酸鋁制品，保溫鋁皮做好防水措施。保溫巖棉浸出液在25 ℃時pH 值應在7～10 之間。外保護層具有防水、防潮、抗大氣腐蝕的性能，采用鋁合金板保護層。閥門位置采用1 mm 厚的鋁合金平板。

4 結語

1）通過保溫材料成分分析，發現保溫材料中含有氯離子，金相分析裂紋形態，符合應力腐蝕開裂特征。苯酚管線裂紋是由于氯離子腐蝕開裂導致。

2）苯酚管線通過涂刷防腐層，選用氯離子含量低、憎水性高的保溫材料隔絕大氣和保溫材料中氯離子侵入，從而解決氯離子腐蝕開裂問題。

3）苯酚管線裂紋采用包管修復方案是臨時措施，可以短期使用。鑒于安全考慮，檢修期間還是要處理工藝管道，將開裂部位的管段整體更換并做防腐處理，徹底解決開裂問題。