乙二醇常壓罐區無縫彎頭滲漏原因分析及改進*

王步美

(江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院)

某廠2010年4月投產運行的一條乙二醇常壓罐區管線在2012年12月有一處彎頭出現滲漏，廠家在彎頭外面加一個套管堵漏，又運行兩月余，發現另一個彎頭相同位置也出現滲漏現象。筆者將滲漏彎頭沿與管系其他元件相連的焊接接頭焊縫處切割下來，運用材料失效分析方法對彎頭進行化學成分分析、硬度檢測、宏觀形貌分析、微觀組織及腐蝕產物分析，結合彎頭的運行工況，對出現滲透的原因進行分析，為后續彎頭選用及安裝改造提供理論依據。

1 彎頭滲漏故障及運行工況

發生泄漏的彎頭為無縫彎頭，安裝在乙二醇常壓罐區，與管系其他元件采用對接焊連接。內部介質為高純度乙二醇，工作溫度低于40℃，工作壓力為1.6MPa。該彎頭規格為DN250mm×6.5mm，材料為固溶態304奧氏體不銹鋼，依照SH3408-1996制造。

2 彎頭滲漏原因分析

2.1 化學成分分析

對彎頭進行化學成分分析，結果見表1，化學成分符合GB/T14976-2002材料標準要求。

表1 彎頭化學成分分析 %

2.2 布氏硬度檢測

在彎頭遠離熱影響區部位進行布氏硬度檢測，測出的平均值為239HBW。根據標準SH3408-1996要求，奧氏體不銹鋼彎頭固溶熱處理后硬度值應不大于190HBW。該彎頭硬度值偏高，不合格。

2.3 宏觀分析

圖1為滲漏彎頭的宏觀形貌，在與管系對接焊的焊縫熱影響區附近的外表面存在多條垂直于焊縫的開口裂紋，也存在平行于焊縫的開口裂紋。遠離熱影響區的本體部分外表面光滑，在彎頭內徑部分存在較多的腐蝕點。彎頭外表面仍有金屬光澤，內表面銹蝕嚴重。

圖1 彎頭的宏觀形貌

在圖1中2號所示部位取樣并在丙酮中超聲波清洗20min后，利用掃描電鏡進行低倍觀察，發現外表面存在多條開口裂紋并布滿腐蝕點，內表面存在樹枝狀擴展的開口裂紋，也存在腐蝕點坑，但是與外表面比較相對較少，如圖2所示。觀察該部位的縱截面，發現裂紋從外表面向內表面擴展，外表面的腐蝕坑為裂紋源，外表面裂紋開口寬度比內表面大，部分裂紋已經貫穿內外表面，如圖3所示。

圖2 內外表面宏觀形貌

圖3 縱截面宏觀形貌

2.4 微觀分析

2.4.1遠離熱影響區部位金相檢驗

在圖1中1號位置處取樣進行金相觀察，結果如圖4所示。組織為奧氏體和少量的形變馬氏體，晶粒大小比較均勻，晶界無析出產物。采用比較法分析，其晶粒度為5.5級。該取樣位置未發現裂紋。

圖4 遠離熱影響區部位金相組織×500

2.4.2熱影響區部位金相檢驗

在圖1中2號位置處取樣進行金相觀察，結果如圖5所示，組織為奧氏體。采用比較法分析，晶粒大小等級為5級，比圖1中1號取樣點晶粒稍大。在晶界交叉點處存在腐蝕坑(圖2)，裂紋沿晶開裂，成樹枝狀和網狀擴展，腐蝕嚴重，有的晶界脫落。未腐蝕處的晶界光滑，沒有析出物。

2.5 斷口形貌及腐蝕產物分析

采用機械方法將圖3所示的穿透裂紋打開，斷口形貌如圖6所示，裂紋為沿晶開裂，存在二次裂紋。晶粒的晶面上布滿泥紋狀腐蝕產物，晶界中也存在腐蝕產物。

圖5 熱影響區金相組織 ×500

圖6 斷口形貌

對晶面腐蝕產物進行能譜分析，結果如圖7所示，腐蝕產物中S元素含量為0.61%，Cl元素含量為0.77%；對晶界內的腐蝕產物進行能譜分析，結果如圖8所示，S元素高達1.63%，Cl元素高達1.86%。兩處的氧含量均較高。

2.6 滲漏原因分析

綜上所述，彎頭產生從外向內的穿透裂紋導致滲漏。彎頭外表面腐蝕坑為裂紋源，裂紋從外表面向內表面擴展，裂紋沿晶開裂，成樹枝狀和網狀擴展，斷口表面上布滿泥紋狀腐蝕產物，并且腐蝕產物含有S、Cl元素，該裂紋屬于典型的應力腐蝕開裂。

圖7 斷口晶面上腐蝕產物能譜分析

圖8 斷口晶界內腐蝕產物能譜分析

彎頭組織中存在形變馬氏體，硬度值提高說明制造過程中固溶熱處理工藝不當，導致彎頭中存在較高的加工應力。形變馬氏體的存在導致彎頭耐腐蝕性下降，當大氣環境中存在S、Cl時，彎頭表面就會發生點蝕。彎頭在現場焊接安裝使得熱影響區存在較高的焊接熱應力，導致熱影響區發生應力腐蝕開裂。

3 改進措施

建議采用316L替換304材料，理由為：

a. 根據研究，在0.5%氯離子環境中，SUS316材料應力腐蝕壽命是常用材料SUS304的三十多倍[1～4]。

b. Mo元素存在于氯離子環境中以MoO2-的形式吸附在活性金屬表面，抑制了活性金屬面的溶解，為再鈍化爭取了時間，防止鈍化膜破壞，從而提高抗應力腐蝕性能， SUS316的Mo含量比SUS304高出近3倍，因此其抗應力腐蝕性能比SUS304高。

c. Ni的質量分數達到10%～12%時，不銹鋼對應力腐蝕的敏感性將降低，含量越高越有利于防止應力腐蝕的發生，資料表明，當含量超過40%時，不銹鋼將基本不發生應力腐蝕。

d. Cr能提高不銹鋼的耐晶間腐蝕的穩定性，同時有利于提高它的點(孔)蝕電位，從而提高不銹鋼的應力腐蝕性能，含量越高，不銹鋼鈍化膜越穩定，抗應力腐蝕性能越強。

4 結束語

304不銹鋼在制造過程中應實施好固溶熱處理工藝(1 050～1 150℃，保溫30min，然后噴淋冷卻)，并在其后進行硬度檢測，確保固溶熱處理效果，硬度合格者才能酸洗鈍化。在含有硫、氯的大氣環境下，應采用耐腐蝕性更好的316L代替304奧氏體不銹鋼。彎頭在現場安裝焊接時要避免強制組對，焊接時要注意避免產生大的焊接殘余應力。

[1] Garcia C, Martin F, Tiedra P D, et al. Effects of Prior Cold Work and Sensitization Heat Treatment on Chloride Stress Corrosion Cracking in Type 304 Stainless Steels[J]. Corrosion Science，2001,43(18):1519～1593.

[2] Zheng J H, Bogaerts W F.Effects of Cold Work on Stress Corrosion Cracking of Type 316L Stainless Steel in Hot Lithium Hydroxide Solution[J].Corrosion，1993,49(7):585.

[3] 黃建中，左禹．材料的耐蝕性和腐蝕數據[M]．北京：化學工業出版社，2003.

[4] 許淳淳，胡鋼，張新生，等．不銹鋼冷加工形變誘發馬氏體相變及其腐蝕行為[J]．材料保護，2002，35(3)：15～17．