MBA塔底液體出口管線彎頭開裂原因分析

摘 "要""某石化公司MBA塔塔底液體出口管線因一處彎頭開裂導致介質泄漏，通過對開裂部位進行宏觀檢查、化學成分分析、力學性能分析、金相分析、掃描電鏡及能譜分析，找出彎頭開裂原因。結果表明：失效彎頭材料組織中的奧氏體晶界上存在析出相，使得材料耐蝕性能下降。在出口處沉積的腐蝕性介質、焊接殘余應力和裝配應力的共同作用下，于應力腐蝕較為敏感的焊接熱影響區優先發生了晶間型的應力腐蝕開裂。

關鍵詞""MBA塔 "彎頭開裂 "析出相 "焊接 "應力腐蝕" " " " "DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406022

中圖分類號""TQ055.8 """""""""""""""文獻標志碼 "B """"""""""""""文章編號""0254-6094（2024）06-0000-00

MBA（甲基苯甲醇）作為重要的有機化工原料，廣泛應用于香皂、香料和醫藥行業[1]。某石化公司MBA塔于2021年3月投入使用，2023年11月該塔底液體出口管線一處彎頭開裂導致了介質泄漏。筆者通過對彎頭開裂部位進行宏觀檢查、光譜分析、力學性能分析、金相分析、掃描電鏡（SEM）及能譜分析（EDS），以分析彎頭開裂的原因。

1""運行工況介紹

MBA塔底液體出口管線安裝在塔底部裙座內，用于向外部工藝管線輸送液體介質。2023年11月，現場工作人員發現位于裙座外的部分管線保溫層有滲漏，檢修口有刺鼻的介質氣味，拆除管線保溫層后發現該管線一處彎頭的焊縫附近發生了開裂。液體出口管線詳細參數如下：

設計壓力 "0.35 MPa/FV

工作壓力 "14 kPa

設計溫度 "209 ℃

工作溫度 "165 ℃

規格 "DN100-Sch80S-90EL

材質 "S31608

管線中的介質及其含量如下：

甲基苯甲醇 "27.32%

苯丙醇 "2.7.27%

苯甲醇 "8.98%

苯乙醇 "6.08%

重組分 "28.34%

苯乙酮 "1.98%

苯酚 "0.02%

苯甲酸 "0.01%

2""試驗檢測與分析

2.1""宏觀檢查

失效彎頭宏觀形貌如圖1所示。由圖1a、b可見，開裂部位位于彎頭出口側焊接熱影響區，裂紋沿熱影響區環向擴展，總長約215 mm，裂紋周圍附著大量的黑色垢物，彎頭外壁大部分區域基本呈銀白色金屬光澤；由圖1c可見彎頭內壁整體呈銀白色金屬光澤，局部附著有黑色粉末狀垢物，無明顯沖刷腐蝕痕跡；由圖1d可見內壁裂紋不連續，內壁裂紋總長約211 mm，接近于外壁裂紋長度，為貫穿性裂紋。

2.2""化學成分分析

失效彎頭母材及裂紋附近焊縫化學成分分析結果見表1。彎頭母材的化學成分符合GB/T 14976—2012對S31608鋼材的要求。因缺失原始焊接材料資料，查詢S31608材料常用的焊條型號為E316-XX，該焊縫化學成分符合NB/T 47018.2—2011對E316-XX焊條熔敷金屬化學成分的要求。

2.3""鐵素體含量測定

失效彎頭焊接接頭鐵素體數測定結果見表2。焊縫鐵素體數遠高于熱影響區和母材，焊縫鐵素體數平均值為6.10，不符合SH 3501—2021《石油化工有毒、可燃介質鋼制管道工程施工及驗收規范》對含鉬奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體數不大于5的要求。

2.4""力學性能分析

彎頭母材室溫沖擊性能檢測結果見表3。母材室溫沖擊吸收功平均值為38.2 J，最低值僅為11.1 J。

在彎頭出口側和入口側分別截取縱向彎曲試樣，試驗結果見表4，彎曲后的試樣形貌如圖2所示。1#受拉面為內壁，彎曲后完全斷裂；2#受拉面為外壁，彎曲后試樣表面和厚度方向出現裂紋，但未完全斷裂，內壁開裂程度較外壁嚴重。3#、4#彎曲后內外表面均產生裂紋，內壁開裂程度仍然較外壁更嚴重。綜合對比出口側和入口側彎曲實驗結果，出口側母材的彎曲性能較入口側更差。

失效彎頭各部位維氏硬度測試分析結果見表5。主裂紋附近區域因伴有大量二次裂紋其硬度值遠低于無裂紋區域硬度值，彎頭側熱影響區硬度值遠高于焊縫和彎頭母材硬度值。

2.5""金相組織分析

失效彎頭裂紋尖端軸向截面金相組織及形貌如圖3所示，開裂部位焊接接頭的母材與熱影響區金相組織均為奧氏體，焊縫金相組織為奧氏體+δ鐵素體。由圖3a可見熱影響區存在兩條裂紋，一條是由內壁啟裂的主裂紋，一條是由外壁啟裂的微裂紋；圖3a～c可見主裂紋距離焊根約4"mm，近似平行于熔合線的方向，由內壁向外壁以沿晶方式擴展，深度約為壁厚的一半，同時該裂紋伴有大量網狀的二次裂紋，嚴重區域可觀察到晶粒脫落后形成的黑色孔洞；圖3d可見微裂紋距離焊趾約3"mm，其沿厚度方向由外向內以沿晶方式擴展，該裂紋深度約0.5"mm，且伴有網狀二次裂紋；圖3f可見近外壁緊鄰熔合線的熱影響區存在網狀微裂紋；圖3g～i可見母材近內壁2"mm的寬度范圍內存在網狀裂紋，奧氏體晶界上存在大量的析出相，局部區域存在晶粒脫落的孔洞形貌，近外壁的裂紋和孔洞形貌與近內壁相似。

彎頭中段母材軸向截面金相組織及形貌如圖4所示，可見近內壁表面存在大量的晶粒脫落后的黑色孔洞，內壁表面和外壁表面均存在裂紋，奧氏體晶界存在析出相。

2.6""掃描電鏡及能譜分析

2.6.1""掃描電鏡電子金相分析

裂紋尖端金相組織及析出相掃描電鏡形貌如圖5所示。由圖5a可見主裂紋具有多源及沿晶開裂特征，并沿一定的角度由內向外擴展；圖5b可見二次裂紋擴展過程中伴隨著奧氏體晶粒脫落所形成的凹坑形貌；圖5c可見裂紋中嵌有垢物；圖5d可見組織中存在沿奧氏體晶界分布的白色析出相。

2.6.2""掃描電鏡微觀斷口分析

斷口掃描電鏡形貌如圖6所示，可見原始斷口表面附著有垢物，清洗后斷口呈典型的冰糖狀沿晶開裂特征，局部伴有沿晶擴展的二次裂紋。

2.6.3""能譜分析

原始斷口表面、裂紋內垢物、彎頭內壁粉末狀沉積物以及晶界析出相能譜分析結果見表6。原始斷口表面垢物除基體元素外含有大量的C、O、Cu元素和少量的K元素；裂紋內垢物主要以C、O、Fe元素為主，還含有大量的腐蝕性S、Cl元素和Na、K、Ca等雜質元素；彎頭內粉末狀垢物為介質沉積物，其含有大量的腐蝕性元素S、Cl，S元素含量高達9.72%，Cl元素含量高達1.31%；晶界析出相中的Cr元素含量高于晶內，說明析出相主要為Cr的化合物。

3 "分析與討論

失效彎頭材質為S31608，屬于非穩定化奧氏體不銹鋼。彎頭材料發生了敏化，晶界上析出了鉻元素和碳結合生成的碳化物，導致耐腐蝕性能下降。對于含碳量超過0.03%的非穩定化奧氏體不銹鋼（不含Ti或Nb的牌號），在650"℃以上加熱或者緩慢冷卻通過這個溫度區間時，將會在晶界析出鉻的碳化物，造成鄰近區域Cr貧化使得這些區域對腐蝕敏感，即發生敏化作用[2，3]。失效彎頭的工作溫度約為165"℃，該溫度遠低于S31608產生敏化的溫度，說明其敏化并非在使用過程中發生，而是來自于生產和制造過程。

MBA塔液體出口管線輸送的介質主要為醇類物質和重油組分，其中重油組分介質黏度較高，易沉積在彎頭出口處和水平安裝的管段底部，彎頭內壁粉末狀沉積物能譜分析結果表明，沉積物中含大量的腐蝕性元素S、Cl。奧氏體不銹鋼焊接過程中因其熱膨脹系數比較高，焊接加熱過程中會產生熱應力，同時熔池金屬從液相向固相轉變時因體積收縮受阻產生結晶應力，而奧氏體不銹鋼焊接接頭一般不進行焊后熱處理，焊縫和熱影響區不可避免的會存在焊接殘余應力，同時出口管線的安裝過程也會引入裝配應力[4]。彎頭內壁形成了大量的沿晶腐蝕裂紋，而由于熱影響區對腐蝕性介質更敏感，導致長期存在腐蝕性介質沉積的熱影響區內壁優先發生應力腐蝕開裂。

4 "結束語

經分析，彎頭出口側焊接接頭發生開裂的原因為彎頭材料組織中的奧氏體晶界上存在析出相，導致材料耐蝕性能下降。在出口處沉積的腐蝕性介質以及焊接殘余應力和裝配應力的共同作用下，于應力腐蝕較為敏感的焊接熱影響區優先發生了晶間型的應力腐蝕開裂。為避免此類故障，該類彎頭在使用前應進行材料復驗，開展化學成分分析、力學性能分析、金相組織分析等試驗，并進行符合性判定，滿足標準要求后，方可投用。

參 "考 "文 "獻

[1] 李春耕.苯乙酮與甲基苯甲醇分離的研究[J].橡塑資源利用，2023（3）：13-21；29.

[2]"李廣凱，王震，于亞龍，等.儀表風冷卻器換熱管開裂失效原因分析[J].石油化工腐蝕與防護，2024，41（1）：59-64.

[3]"李戰斌，柳云天，徐祥久，等.奧氏體不銹鋼S31608焊接工藝及接頭性能[J].機械制造文摘（焊接分冊），2020（5）：45-48.

[4]"王俊杰.常減壓裝置塔底奧氏體不銹鋼彎頭開裂原因分析及處理[J].全面腐蝕控制，2023，37（1）：40-44.

（收稿日期：2023-12-12，修回日期：2024-11-08）

作者簡介：楊釩（1972-），高級工程師，從事石油化工設備及裝備的技術管理工作，yangfan01@sinochem.com。

引用本文：楊釩.MBA塔底液體出口管線彎頭開裂原因分析[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.