304不銹鋼膠粒水管道腐蝕開裂分析

李軼卿，薛鑒鵬，張功超

(中國石油獨山子石化公司乙烯廠，新疆 獨山子 833699)

中國石油獨山子石化分公司乙烯廠橡膠聯(lián)合車間橡膠裝置SSBR生產(chǎn)線膠粒水管線自汽提釜用泵將膠粒水輸送至后處理初級脫水振動篩。自2017年6月至2018年3月以來SSBR膠粒水線出現(xiàn)6次泄漏，嚴重影響生產(chǎn)線正常生產(chǎn)計劃。通過對該膠粒水管線泄漏段進行化驗分析，為評估該膠粒水管線運行性能以及為更換膠粒水管線提供依據(jù)。

1 膠粒水管道腐蝕情況

膠粒水管道運行參數(shù)：材質(zhì)304，介質(zhì)為膠粒水，膠粒水溫度 98～108℃，膠粒水壓力 0．6～0．7MPa，規(guī)格φ114×3mm。在日常工藝操作開停車程中膠粒水管道會出現(xiàn)壓力驟升以及膠粒水與低壓蒸汽交替流通的操作工況。

通過對膠粒水管道的現(xiàn)場腐蝕開裂情況觀察，管道的開裂部位出現(xiàn)在管線中間、焊縫附近或管托支撐區(qū)域附近，圖1是膠粒水管道的宏觀腐蝕形貌。分析圖1可知，膠粒水管道焊縫部位的管道表面有明顯的黃褐色腐蝕產(chǎn)物銹跡，布滿縱向腐蝕裂紋，局部裂紋寬度較大，且裂紋擴展后相互交錯，導致在運行過程中出現(xiàn)泄漏。

2 腐蝕分析

2.1 成分分析

圖1 膠粒水管道宏觀腐蝕形貌

采用德國SPECTRO Lab． M11型固定式光譜儀對管道母材及焊縫部位成分進行分析，結(jié)果如表1所示。分析表1可知，膠粒水管道的母材和焊縫成分均符合ASME SA-312中TP304牌號的元素含量要求。

2.2 腐蝕介質(zhì)分析

丁苯橡膠裝置在生產(chǎn)工藝上為防止膠粒發(fā)生聚合反應(yīng)，在汽提單元加入了含有CaCl2水溶液的分散劑，導致汽提后的膠粒水中含有腐蝕介質(zhì)氯離子，由于氯離子會誘發(fā)奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，因此，對氯離子進行了分析監(jiān)測，表2為裝置后處理單元1000線振動篩、擠壓機部位膠粒水中氯離子的腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)。分析表2數(shù)據(jù)可知，膠粒水中確實存在氯離子，且氯離子含量較高，300系列的不銹鋼對氯離子都比較敏感，氯離子增加，開裂的可能性就會增加，而且氯化物應(yīng)力腐蝕開裂沒有最低氯離子濃度的限制，因為氯離子會發(fā)生濃縮，因此氯離子的存在給該304材質(zhì)的膠粒水管道開裂提供了發(fā)生條件。

表1 膠液水管道成分分析（wt%）

表2 膠粒水中氯離子含量分析數(shù)據(jù)

2.3 金相分析

在膠粒水管道的裂紋尖端部位沿厚度方向切取截面樣進行分析，圖2為膠粒水管道裂紋尖端部位厚度截面金相圖。分析圖2可知，膠粒水管道的金相組織為奧氏體組織，裂紋走向呈典型的樹枝狀分布，貫穿整個厚度截面，且?guī)в忻黠@的應(yīng)力腐蝕開裂特征，裂紋形貌為穿晶開裂。

圖2 膠粒水管道厚度截面金相組織圖

2.4 能譜分析

對斷口部位的表面成分進行了能譜分析，分析結(jié)果如圖3所示。分析圖3可知，該斷口表面成分主要以O(shè)、Si、Ti、Cr、Fe元素為主，還含有少量的腐蝕性元素，即Cl元素。

圖3 斷口表面能譜分析

2.5 腐蝕開裂原因分析

綜合上述膠粒水管道的成分分析、腐蝕介質(zhì)分析、金相分析及能譜分析，膠粒水管道材質(zhì)為304奧氏體不銹鋼，其對應(yīng)力腐蝕開裂較為敏感，且膠粒水中含有大量的氯離子，大大增加了奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的可能性。此外，管道在冷加工過程中不可避免的存在冷變形應(yīng)力，在這些條件的影響下，膠粒水管道具備了出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的可能性。在工藝運行工況中易出現(xiàn)驟冷驟熱以及壓力驟升等工況，也會導致管線出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕狀況。從金相分析可知，裂紋形貌為枝狀的穿晶裂紋，帶有明顯的應(yīng)力腐蝕開裂特征。裂紋斷口表面的能譜分析結(jié)果進一步表明裂紋尖端含有腐蝕性元素氯元素，可見，膠粒水管道的腐蝕開裂為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

3 防護對策

（1）從腐蝕介質(zhì)的角度考慮，在不影響工藝生產(chǎn)的條件下將氯離子濃度降低到最小值，降低管道開裂的風險。

（2）采用超低碳不銹鋼，如304LN或者316L，降低敏化溫度區(qū)碳化物的析出量，提升材質(zhì)的耐蝕能力。

（3）在管道焊接過程中，應(yīng)考慮優(yōu)化焊接工藝，減少焊接過程中熱影響區(qū)敏化溫度段的停留時間，降低發(fā)生敏化的風險，減少晶界缺陷，提高材料耐蝕能力。

（4）鎳含量較高的合金具有抵抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力，可考慮在局部采用高鎳含量的合金管道。

（5）可考慮在金屬管道內(nèi)壁進行粉末涂層處理，其耐溫耐壓，抗腐蝕能力較好。

（6）改善運行工況，避免出現(xiàn)溫度驟升驟降及壓力驟升的情況。

（7）提高管線厚壁，從而延長管線使用壽命。

4 試用過的防腐措施

（1）試用內(nèi)襯聚四氟乙烯使用情況：試用6個月，受熱材質(zhì)變軟，在物料沖刷的情況下內(nèi)襯涂層斷裂，試用失敗（圖4）。

圖4

（2）試用熱固熔涂料的情況：試用1年出現(xiàn)局部脫落情況，工藝產(chǎn)品不能接受輕微脫落，污染產(chǎn)品的情況，涂層試用失敗（圖5）。

圖5

（3）試用厚壁316材質(zhì)情況：2011年6月試用厚壁（6．5mm）的316L材質(zhì)，直到2018年2月仍未出現(xiàn)裂紋缺陷，基本成功（圖6）。

5 結(jié)語

由于工藝條件無法改變，采取使用厚壁為6．5mm的316L材質(zhì)的管材是有效的措施，使用該措施的優(yōu)點有降低由于泄漏導致人員燙傷的風險；降低由于泄漏造成的環(huán)境污染；實現(xiàn)兩個生產(chǎn)周期無故障的完好狀態(tài)，避免由于泄漏造成的停工。缺點有材料成本增加50%，安裝成本增加10%。

圖6

綜上所述，綜合考慮成本，包含環(huán)境成本和人員成本，采取使用厚壁為6．5mm的316L材質(zhì)的管材是最有效的措施。

[1]黃伯云主編．有色金屬材料手冊[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2009．

[2]左景伊主編．常用腐蝕數(shù)據(jù)手冊[M]．北京：化學工業(yè)出版社，1985．