工藝冷凝液管線泄漏原因分析

胡 磊，王 利，李偉明，宋文明，李燕姣，席 鵬，秦力杰

(1.烏魯木齊石化公司 化肥廠，新疆 烏魯木齊 830019；2.中國石油 大連石化公司，遼寧 大連 116011；3.福建省特種設備檢驗研究院 泉州分院，福建 泉州 362000；4.機械工業上海藍亞石化設備檢測所有限公司，上海 201518；5.西北銷售質量計量管理部 蘭州監督檢驗站，甘肅 蘭州 730060)

某化工裝置中使用的工藝冷凝液管線尺寸φ139.7 mm×3.6 mm，材質0Cr18Ni9，設計壓力1.26 MPa，操作壓力0.8 MPa，設計溫度 200℃,操作溫度150℃。初次投用后一彎頭焊縫部位發生泄漏，更換后再次試壓過程中其他管段管線本體出現裂紋2處，管線焊縫出現裂紋29處。

1 泄漏管線宏觀檢驗

泄漏管段外壁呈銀灰色，存在裂紋，裂紋位置比較集中，周邊附著少量黃色垢物。沿軸向剖開泄漏管段，可見管段厚度總體均勻，無明顯減薄，內壁面附著較多黑色、褐色及少量綠色污垢，污垢質地疏松、易脫落。清除污垢后，管段內壁表面可見點狀腐蝕坑及裂紋，最大腐蝕坑直徑約4 mm。

2 泄漏部位無損檢測

對泄漏管段內壁面和外壁面進行滲透處理［1］，測量裂紋長度，結果見圖1。

圖1 泄漏管段滲透處理及裂紋測量

圖1a和圖1b均顯示，裂紋位于焊縫周邊。從圖1a可以看出，外壁上只有裂紋，裂紋垂直于焊縫分布，形狀較直且無分叉，最大長度約10 mm。從圖1b可以看出，內壁上有裂紋和腐蝕坑，但腐蝕坑較多。裂紋呈樹枝狀、存在較多分叉，最長裂紋約50 mm，腐蝕坑分布較為密集。對比圖1a和圖1b可知，泄漏管段內壁面和外壁面上的裂紋位置相互對應，內壁裂紋數量和長度均大于外壁，內壁存在較多腐蝕坑，初步判斷管壁裂紋由內壁向外壁擴展。

3 泄漏管段檢測分析

3.1 母材化學成分

對泄漏管段母材進行化學成分檢測［2-8］，結果表明管線化學成分符合GB 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》［9］中對0Cr18Ni9材料的相關要求。

3.2 金相組織分析

取泄漏管段裂紋部位進行母材、焊縫、熱影響區、裂紋形貌以及裂紋尖端金相組織和形貌分析，結果見圖2。

圖2 管壁裂紋部位金相組織

從圖2a可看出，管段母材金相組織為奧氏體+少量析出相，析出相呈點狀分布在晶內、晶界，組織正常。管線原始熱處理狀態正常。且在使用過程中組織未發生變化。從圖2b可看出，焊縫金相組織為奧氏體+δ鐵素體，鐵素體含量約9%，組織正常。從圖2c可看出，熱影響區組織為奧氏體+δ鐵素體，由于焊接熱輸入，此部位奧氏體晶粒尺寸較母材組織明顯長大，且出現孿晶組織，粗大的晶粒會使材料強度、塑性及韌性下降［10］。從圖2d和圖2e可看出，管線泄漏部位裂紋位于焊縫、熱影響區、近縫母材，呈樹枝狀擴展，分叉較多，在主裂紋的邊緣存在孤島狀腐蝕坑，以穿晶擴展為主，符合應力腐蝕開裂特征［11］。管線組織中的夾雜物、析出相等對材料力學性能影響不大，但會降低材料的耐腐蝕性能，夾雜物或析出相與周邊基體之間存在電位差，在電解質環境中，析出相與基體之間產生電位差，二者之間的邊界被腐蝕，形成腐蝕溝槽，繼而造成析出相脫落，形成腐蝕坑，隨著時間的推移，腐蝕坑會越來越 大［12］。

3.3 斷口形貌分析

泄漏管段裂紋面斷口形貌見圖3。裂紋面呈褐色，斷面存在起伏，并存在發亮的金屬小刻面。斷面存在明顯擴展條紋，裂紋啟裂于內壁，有多個啟裂源，形成起裂區，裂紋沿壁厚向外壁擴展，外壁存在多個瞬間斷裂點，形成瞬間斷裂區。

圖3 管壁裂紋斷口宏觀形貌

采用掃描電鏡對泄漏管段裂紋斷口面內啟裂區、擴展區、瞬間斷裂區進行觀察。結果表明，泄漏管段裂紋面斷口啟裂區、瞬間斷裂區的微觀形貌均為河流狀解理花樣及扇形花樣，呈解理開裂特征，見圖4。

圖4 泄漏管段裂紋斷口微觀形貌（400×）

3.4 腐蝕坑形貌分析

用掃描電鏡觀察泄漏管段內壁裂紋區腐蝕坑，結果見圖5。從圖5a可以看出，腐蝕坑邊緣光滑，內部布滿腐蝕產物，從圖5b可以看出,腐蝕坑內局部區域露出金屬基體，基體晶面光滑、晶界清晰。

圖5 泄漏管段裂紋區域腐蝕坑形貌

3.5 腐蝕產物成分分析

泄漏管段內壁裂紋區腐蝕坑內腐蝕產物形貌見圖6。從圖6可以看出，腐蝕產物呈顆粒狀，質地致密。

圖6 泄漏管段內壁裂紋區腐蝕坑內腐蝕產物形貌（200×）

對腐蝕產物進行EDAX能譜分析和能譜圖數據處理，得到腐蝕產物元素組成，見表1。垢物中含有的Cl元素，在含水環境下，將以Cl-的形式存在。失效工藝管線材質為0Cr18Ni9，對氯化物應力腐蝕開裂較為敏感，Cl-易在垢下、腐蝕坑、夾雜物等缺陷部位富集，為應力腐蝕的開裂創造了必要條件。

表1 泄漏管道裂紋區腐蝕產物元素組成

4 泄漏管段開裂失效原因分析

4.1 開裂類型

根據裂紋啟裂點位于內壁，失效區域存在較厚褐色沉積垢以及較密集腐蝕坑等檢驗檢測結論判斷，冷凝液管線泄漏為污垢下腐蝕引起的失效［13］。綜合冷凝液管線裂紋位于腐蝕坑邊緣或與腐蝕坑相連，裂紋區域無塑性變形存在，裂紋面整體平整、局部粗糙，呈脆性開裂特征，裂紋面存在明顯擴展條紋，微觀下裂紋呈樹枝狀，并存在湖泊狀特征，尖端為穿晶開裂特征，斷面呈解理開裂特征等金相組織分析、斷口形貌分析結論，可以判斷冷凝液管線泄漏為典型的不銹鋼應力腐蝕開裂造成的［11］。

4.2 腐蝕坑成因

宏觀檢驗顯示，泄漏管線裂紋集中在近焊縫母材部位，沿管道壁厚方向自內壁向外壁擴展。金相檢驗結果顯示，裂紋由管內壁向外壁擴展。工廠檢驗和生產運行記錄表明，管材冶金質量、焊縫組織等均滿足技術要求，管線入廠檢驗、水壓試驗等均滿足技術要求，服役過程中工藝參數穩定，管線未受到其他外力作用，因此可排除制造原始缺陷的存在及其擴展的可能性。

工藝冷凝液管線輸送介質中含有H2S和CO2氣體及液態水，H2S、CO2氣體溶于H2O會形成酸性水環境。在酸性水環境中，0Cr18Ni9不銹鋼對氯化物點腐蝕和應力腐蝕開裂都較為敏感。管道壁面上結垢時，介質中的 Cl-、SO42-、SO32-等易在污垢下富集。在酸性水環境下，污垢部位介質pH降低，不銹鋼表面鈍化膜的耐腐蝕性能下降，成為酸性物易攻擊的薄弱部位，優先被腐蝕，形成管壁表面的腐蝕坑［14-15］。

管線組織中含夾雜物、析出相的部位也是酸性水環境下優先被腐蝕的對象，夾雜物、析出相對材料力學性能的影響不大，但是夾雜物或者析出相與周邊基體之間存在電位差，在酸性環境中，析出相與基體之間產生電位差，二者之間的邊界被腐蝕，形成腐蝕溝槽，繼而造成析出相脫落，形成腐蝕坑。

4.3 管線開裂成因

管道內表面上形成腐蝕坑后，隨著新鮮溶液的不斷補充，管壁腐蝕會持續而且加速發展，表現為腐蝕坑越來越大［12］。泄漏管線為壓力管道，其近焊縫部位承受管道、焊接力及組織的疊加應力，開裂敏感性較其他部位的高，裂紋首先在這些部位的腐蝕坑內萌生。管道介質提供的含Cl-、H2S、CO2酸性水環境以及150℃高溫增加了開裂的敏感性［16］，裂紋因此發生擴展。裂紋的擴展主要受應力影響，在不考慮其他應力的情況下，管線承受的環向應力為軸向應力的2倍，裂紋傾向于沿軸向發生擴展［17］。

因此，冷凝液管線開裂泄漏的原因可以總結為，在Cl-和應力的作用下，腐蝕坑內萌生裂紋，裂紋擴展引起氯化物應力腐蝕開裂。

5 結語

泄漏管段內壁附著物下產生的酸性環境是導致管壁發生點腐蝕的根本原因。在Cl-和應力的作用下，腐蝕坑內萌生裂紋，裂紋擴展引起氯化物應力腐蝕開裂是管線開裂的主要原因。針對泄漏管線失效原因，可通過定期除垢、適當增加管內介質流速等方法終止和延緩管壁污垢下腐蝕進程；可通過控制介質中Cl-含量，降低應力腐蝕開裂傾向；可在必要時對管線材質進行升級，選擇如S2205、S2207等抗硫、抗氯性能更好的管材。