奧氏體不銹鋼管在柴油介質中的失效分析

汪元德

(蘭州石化公司化肥廠)

奧氏體不銹鋼管在柴油介質中的失效分析

汪元德*

(蘭州石化公司化肥廠)

為查明柴油加氫裝置中一段φ14mm、壁厚2mm 的S31668(316)不銹鋼壓力管道的泄漏原因,對開裂失效的不銹鋼管進行了檢測分析。結果表明:不銹鋼管泄漏的主要原因是柴油中硫、氯含量較高，工作溫度又恰好在應力腐蝕敏感溫度范圍內，導致不銹鋼管發生了由內向外的應力腐蝕開裂。此外，保溫層中的Cl-吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質，產生由外向內擴展的應力腐蝕開裂。內外壁腐蝕性介質和應力的雙重作用導致不銹鋼管的開裂。

奧氏體不銹鋼管 柴油 應力腐蝕 開裂

某石化公司柴油加氫裝置的一段奧氏體不銹鋼壓力管道，在運行過程中發生多處泄漏，在經過補焊修復處理后，焊接部位仍頻發泄漏，并且泄漏又在新的部位發生。管內介質為柴油，操作壓力為9.0MPa，操作溫度約60℃。不銹鋼管的外部有保溫層。該不銹鋼管發生泄漏事故時， 投入運行不到兩年。筆者對不銹鋼管泄漏部位和未泄漏部位分別取樣分析，探討了不銹鋼管泄漏的產生原因。

1 試驗與分析

1.1宏觀檢查

截取發生泄漏的不銹鋼管1 200mm，其直徑為φ14mm，壁厚為2mm。補焊后宏觀形貌如圖1所示。可見，補焊區藥皮沒有清理干凈，有表面氣孔，且焊接成型不良。外壁存在腐蝕產物和銹斑，并且有劃傷的痕跡；內壁局部有淺黑色腐蝕產物斑痕。對不銹鋼管的外壁進行滲透檢測，發現存在一條表面開口裂紋，如圖2所示。

圖1 補焊后宏觀形貌及金相取樣部位

圖2 PT檢測裂紋形貌及金相取樣部位

1.2化學成分

采用德國SPECTROLAB直讀光譜儀對不銹鋼管的材料進行了光譜分析，結果見表1，可以看出，不銹鋼管化學成分符合GB/T 14976-2012對S31668(316)不銹鋼的要求。

1.3力學性能

在不銹鋼管完好部位取樣進行常溫拉伸試驗，結果見表2。不銹鋼管的規定塑性延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率均符合GB/T 14976-2012對S31668的要求。

表1 不銹鋼管的化學成分 wt%

表2 不銹鋼管的力學性能

1.4鐵素體測量

鐵素體含量測定結果見表3(測6組數據，取最大值和平均值)，補焊區的鐵素體含量平均值是3.75%，不銹鋼管的補焊區鐵素體含量明顯高于熱影響區和基體的含量，補焊區鐵素體含量的增加降低了材料的耐腐蝕性能。

表3 鐵素體含量測量結果 %

1.5金相檢驗

補焊區金相樣品1的組織為奧氏體+δ鐵素體(圖3)，存在由外壁向內壁擴展的裂紋，裂紋在補焊區內。補焊區域產生裂紋，說明補焊對不銹鋼管沒有起到修復作用。

在不銹鋼管裂紋附近取金相樣品2的未浸蝕形貌如圖4所示，存在由內壁向外壁擴展的樹枝狀裂紋。浸蝕后的金相組織如圖5所示，金相組織為奧氏體+少量鐵素體，裂紋貫穿于整個橫截面，穿晶形態更加明顯，具有應力腐蝕開裂的典型特點。

圖3 金相樣品1補焊區徑向截面組織 ×100

圖4 金相樣品2未浸蝕徑向裂紋形貌

圖5 金相樣品2浸蝕后組織與裂紋形貌

1.6斷口掃描與能譜分析

內壁腐蝕形貌如圖6所示，由于介質的作用，呈現均勻腐蝕、點腐蝕、溝槽狀腐蝕和微裂紋的形態。外壁形貌如圖7所示，宏觀劃傷處存在大量腐蝕產物。

金相樣品2沿裂紋打開后的宏觀形貌如圖8a所示；近內壁區呈現河流狀花樣，為典型的應力腐蝕開裂特點(圖8b)；中間區為羽毛狀花樣(圖8c)；近外壁區存在韌窩，為塑性斷裂區(圖8d)。該規律說明由于介質原因，不銹鋼管由內壁向外壁呈脆性遞減趨勢。

圖6 不銹鋼管內壁形貌

圖7 不銹鋼管外壁形貌

能譜分析結果顯示內壁有硫、氯存在；靠近內壁斷口硫、氯含量非常高，硫含量達到13.4 wt%，氯含量達到2.29wt%；外壁硫、氯含量介于內壁和靠近內壁斷口之間。能譜分析表明裂紋主要是由內向外擴展的Cl-應力腐蝕裂紋，也存在由外向內擴展的應力腐蝕開裂。

圖8 斷口形貌

2 分析結果討論

眾所周知, 不銹鋼發生應力腐蝕需要3個最基本的條件, 即敏感的合金(材料因素)、特定的介質(環境因素)和拉伸應力(力學因素)[1]。

不銹鋼管選用的材料為S31668(316)，對應我國的022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼。根據化學成分分析可知，該不銹鋼管選用材料的化學成分符合S31668(316)的要求，是氯化物和硫化物敏感合金材料。能夠引起 Cr-Ni奧氏體不銹鋼應力腐蝕的介質很多，一般來說, 氯化物的影響最大；硫化氫水溶液、連多硫酸也是產生應力腐蝕的介質[2,3]。不銹鋼管的介質(柴油)中含有大量氯化物以及硫化物，符合不銹鋼腐蝕特定介質(環境因素)；不銹鋼管外壁有保溫層，保溫層中含有一定的氯化物，保溫層破損后，吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質，也符合不銹鋼腐蝕特定介質(環境因素)。不銹鋼管道的操作壓力為9.0MPa，受到環向拉應力作用，符合不銹鋼腐蝕力學性能因素。

根據金相顯微觀察，裂紋貫穿整個管壁，沿厚度方向由內向外擴展，呈現樹枝狀，既有主干，又有分枝，裂紋以穿晶擴展為主。補焊區域也產生了裂紋，沿厚度方向由外向內擴展。

裂紋掃描電鏡觀察表明，裂紋以穿晶形式擴展并帶有分叉，微觀斷口形貌具有解理或準解理特征，可觀察到大量的河流狀花樣、羽毛狀花樣和韌窩形貌，斷口上可見明顯的二次裂紋。

不銹鋼管能譜分析表明，靠近內壁斷口硫的質量分數最高達13.4%，氯的質量分數高達2.29%，外壁硫、氯含量高于內壁。介質中的氯化物和硫化物對不銹鋼管的不斷腐蝕，形成了由內向外擴展的裂紋；外壁保溫層中的氯吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質，對不銹鋼管不斷腐蝕，補焊后，焊接部位的工作應力殘余應力降低了材料的抗腐蝕能力，在氯的作用下產生由外向內擴展的裂紋。最終在內外壁不利因素的雙重作用下，導致不銹鋼管的開裂失效。

3 結束語

經分析可知S31688(316)不銹鋼管泄漏原因為柴油中硫、氯含量較高，工作溫度又恰好在應力腐蝕敏感溫度范圍內，使不銹鋼管發生由內向外的應力腐蝕開裂；保溫層中含有的Cl-吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質，產生由外向內擴展的應力腐蝕開裂；在內外壁的腐蝕性介質及應力的雙重作用下，導致不銹鋼管的開裂失效。

[1] 陸世英,王欣增,李丕鐘，等.不銹鋼應力腐蝕事故分析與耐應力腐蝕不銹鋼[M].北京: 原子能出版社,1985：56.

[2] 孫濤，王齊紅，王海平，等. 不銹鋼換熱管U形部位開裂分析[J].化工機械，2016,43(3)：416～420.

[3] 馬小強. 常減壓蒸餾裝置管道腐蝕失效分析[J].化工機械，2016,43(4)：583～586.

SHI Jian-lana,ZHANG Wei-yab, LUO Yunb,JING You-haib

(a.CollegeofElectromechanicalEngineering; b.CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Having ANSYS software based to investigate both creep damage and rupture of the nickel-based plate’s brazing joints was implemented, including the prediction of creep life and having residual stress incurred by the fabrication process, the thermal stress in application and the mechanical stress considered and FORTRAN language employed as well as the model based to compile subroutine for the creep damage calculation and to evaluate influences of different joints on both residual stress and creep damage. The results show that, residual stress can be seen at discontinuous structures; and the creep damages accumulated dramatically can accelerate crack initiation and rupture and increasing the tangential overlap area can prolong the joint’s life.

joint form, brazing, creep damage, finite element

*汪元德，男，1966年9月生，高級工程師，設備副總工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ053.2

B

0254-6094(2016)05-0689-04

2016-06-03)

(Continued on Page 680)

《輕工機械》2017年征訂啟事

《輕工機械》雜志(刊號：CN 33-1180/TH , ISSN 1005-2895)，創刊于1983年，由中國輕工機械協會、中國聯合裝備集團有限公司與輕工業杭州機電設計研究院聯合主辦，是一份在國內有較高影響力、歷史悠久的輕工機械領域的專業性科技期刊。以報道輕工機械、自動化技術、機電一體化、工藝設計及其應用為特色。

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