常減壓蒸餾裝置減壓爐進料彎頭泄漏原因分析與建議措施

(中國石化青島煉油化工有限責任公司,山東 青島 266555)

某公司位于沿海地區，在2019年12月對其常減壓蒸餾裝置進行檢修時發現減壓爐第8路進料彎頭出現泄漏。彎頭材質為304不銹鋼，規格為公稱直徑DN150，設計壁厚6.5 mm，工作介質為常底渣油，硫含量較高。工藝條件為壓力1.5 MPa，溫度350 ℃。彎頭于2008年投用，經歷過三次大檢修。為了查明彎頭泄漏的原因，對彎頭進行了理化檢驗和分析，并提出了相應的建議措施。

1 理化檢驗

1.1 滲透檢測

對彎頭進行滲透檢測(PT)，如圖1所示，彎頭上有三處裂紋密集區，其中小R側母材上有兩處，1號區域穿透裂紋面積約為100 mm(環向)×50 mm(軸向)，2號區域內外啟裂裂紋面積約為60 mm(環向)×50 mm(軸向)，3號區域外啟裂裂紋面積較小，距離焊縫約40 mm處。

圖1 彎頭滲透檢測情況

檢測彎頭內壁發現，只有1號區域存在明顯的腐蝕坑。裂紋只存在于彎頭母材，基本呈網狀，內壁裂紋深度大于外壁裂紋深度，彎頭開裂部位未見有明顯的塑性變形，表現出脆性斷裂特征。

1.2 壁厚檢測

對彎頭進行壁厚檢測，發現壁厚最小處位于大R側靠近直管段位置，其壁厚為6.28 mm，考慮到彎頭設計壁厚為6.5 mm，且運行時間較長，可以斷定彎頭整體上并無嚴重的腐蝕減薄現象。

1.3 化學成分分析

在彎頭上取樣進行化學成分分析，結果見表1。分析結果表明：除了碳含量稍高以外，其他元素含量均符合相關標準要求。

1.4 拉伸性能測試

在彎頭上取樣進行軸向拉伸試驗，并取重新固溶處理后的試樣進行對比，結果表明：兩種試樣的拉伸性能均能滿足相關標準的要求，但試樣經固溶處理后其塑性指標提高。

1.5 金相檢驗

從圖1中1號、2號和3號裂紋區域軸向截取試樣進行金相檢驗，如圖2所示。由圖2可見，裂紋擴展方向基本與內外表面垂直，呈典型的沿晶裂紋擴展特征，局部可見晶粒脫落現象，具有明顯的晶間腐蝕開裂特征。同時，試樣未經固溶處理前其金相組織為奧氏體，未見有孿晶組織，但晶粒大小不均，存在混晶組織，晶界較寬，而試樣經固溶處理后金相組織正常。

表1 化學成分分析結果 w，%

圖2 裂紋區金相組織

1.6 硬度檢測

硬度檢測結果表明，彎頭母材試樣未經固溶處理前其硬度偏高且不均勻(231.2～316.2 HV)，而經過固溶處理后其硬度正常且均勻(162.7～176.4 HV),另外，金屬焊縫、直管母材和熱影響區的硬度也在正常范圍之內。

1.7 能譜分析

從圖1中1號、2號和3號裂紋區域截取試樣進行能譜分析，結果發現1號區域的外壁和內壁裂紋區主要有O，S和Na元素；2號區域與3號區域的外壁裂紋區主要有O，S和Cl元素，而內壁裂紋區主要有O和S元素。

1.8 晶間腐蝕試驗

在彎頭上取樣進行晶間腐蝕試驗，并取經過固溶處理的試樣進行對比，晶間腐蝕試驗后試樣的宏觀形貌見圖3。由圖3可見，未經固溶處理的試樣具有明顯的晶間腐蝕傾向，而經過固溶處理的試樣其晶間腐蝕傾向明顯減弱。

圖3 晶間腐蝕試驗后試樣的宏觀形貌

2 分析與討論

基于以上檢測和分析可知：304不銹鋼彎頭未出現嚴重的減薄現象；除了碳含量偏高以外，其他的化學成分均在合格范圍之內；拉伸性能良好，抗晶間腐蝕的能力較弱。

對于304不銹鋼，碳含量對其耐蝕性能具有較大影響。碳含量偏高會造成材料的塑性降低，脆性增強，在承壓時易發生脆性斷裂，并且在高溫環境中也容易發生碳化物析出，即敏化。

該304不銹鋼進料彎頭未經過充分的加工處理及固溶處理，材料硬度不均勻，力學性能較差，出現材料的敏化現象。對于304不銹鋼，由于晶界上碳化物的析出，造成其相鄰部分的鉻含量降低，形成貧鉻區，而貧鉻區的耐蝕性較差，在某些腐蝕介質中易發生腐蝕[1]。彎頭外壁發現了氯元素，表明彎頭外部存在氯離子腐蝕環境。這與裝置所處的海洋性大氣環境有關，海邊多雨多霧，彎頭外保溫棉中易滲入雨水和鹽分，隨著管道的運行，鹽水在管道表面會不斷地濃縮，形成高濃度的鹽溶液。奧氏體不銹鋼對氯離子的應力腐蝕很敏感，少量氯離子就可能導致不銹鋼的應力腐蝕開裂[2]。

此外，該彎頭為應力集中區域(如圖4所示)，彎頭承受控制閥及直管的重力載荷，在軸向產生較大應力，同時彎頭本身要承受介質產生的內壓。因此，彎頭受內外應力的同時作用，使其發生應力腐蝕開裂。

綜合上述分析討論可知，該304不銹鋼彎頭泄漏的主要原因在于：彎頭未經過充分的加工處理及固溶處理，導致材料力學性能較差，出現嚴重的材料敏化現象，且由于材料碳含量偏高，易發生脆性斷裂。另外，彎頭長期處于海洋性大氣環境中，易發生嚴重的氯離子腐蝕，在承受內外應力的情況下，彎頭發生了晶間應力腐蝕開裂。

3 建議措施

為了降低304不銹鋼彎頭泄漏帶來的生產風險，建議采取以下措施：

(1)對304不銹鋼彎頭進行硬度檢測和超聲測厚等檢測，檢查其余彎頭是否存在材料缺陷和壁厚減薄情況，以便采取預防性維護措施，避免泄漏再次發生。

(2)為了隔離鹽霧環境，降低腐蝕性介質的影響，對管路系統表面進行清洗，并涂刷專用防銹漆[3]。

(3)對于彎頭泄漏和減薄等形式的失效，采取包盒子或更換配件等措施進行處理，及時消除隱患。

(4)降低劣質油摻煉比例，降低原料中的硫含量，做好工藝防腐蝕工作。

(5)定期檢測與在線監控相結合，不間斷地監控工藝介質和彎頭壁厚等參數的變化，以便及時發現設備異常情況，及時消除設備隱患。

4 結 語

在環境介質和內外應力的共同作用下，304不銹鋼彎頭因材料缺陷而產生的晶間應力腐蝕開裂現象十分普遍，相關的制造和使用單位都應該予以高度重視，在制造和使用304不銹鋼彎頭的過程中，都應該嚴格遵守相應的規范和標準，做好質量檢測，防止不合格產品被安裝使用，留下安全隱患。同時，在海洋性大氣環境中使用奧氏體不銹鋼彎頭時，彎頭易發生嚴重的氯化物應力腐蝕開裂現象，因此，建議采取多種措施提高設備本質安全水平，保障生產裝置長周期穩定運行。