加氫處理是重質(zhì)渣油深度加工的重要環(huán)節(jié),其主要作用是脫除渣油中的金屬、硫等雜質(zhì),并降低殘?zhí)己?起到優(yōu)化油品質(zhì)量的作用[1]。某加氫裝置原料運(yùn)輸線排污管節(jié)發(fā)生了腐蝕開裂。該加氫裝置原料輸送主管道的管材為347不銹鋼,管道內(nèi)介質(zhì)為渣油、油汽混合物,壓力為20 MPa、溫度為400 ℃。排污管線位于主管道下方6點(diǎn)鐘位置,并設(shè)有排污閥。當(dāng)加氫裝置正常工作時(shí),排污閥處于關(guān)閉狀態(tài),阻止主管線內(nèi)高溫高壓介質(zhì)進(jìn)入排污管線；當(dāng)加氫裝置維修時(shí),排污閥門開啟,裝置內(nèi)介質(zhì)通過閥門進(jìn)入排污管線。閥門與主管道間通過管節(jié)和管座連接,管節(jié)直徑48 mm、壁厚10 mm、長80 mm,管節(jié)由347不銹鋼鍛造而成。管節(jié)上端與主管線接出的管座焊接,管節(jié)下端與排污閥門焊接,泄漏點(diǎn)位于管節(jié)中央,見圖1。作者從現(xiàn)場勘查取樣,通過化學(xué)成分分析、形貌觀察、腐蝕產(chǎn)物分析、金相分析等手段對(duì)管節(jié)泄漏原因進(jìn)行分析。 

圖  1  排污管線泄漏位置

Figure  1.  Leak location of blowdown pipeline

1.   理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1   化學(xué)成分與硬度

347不銹鋼是在普通8-18系列不銹鋼中添加Nb,經(jīng)穩(wěn)定化處理后形成NbC,該材料耐晶間腐蝕能力比普通不銹鋼更強(qiáng)。采用火花放電原子發(fā)射光譜法對(duì)管節(jié)進(jìn)行化學(xué)成分測定,測定結(jié)果如表1所示。該管節(jié)的化學(xué)成分基本滿足GB/T 14976-2012標(biāo)準(zhǔn)[2]的要求。利用維氏硬度計(jì)測量管節(jié)1/2壁厚位置的硬度(載荷9.8 N)。結(jié)果表明,其硬度為180 HV,滿足正常標(biāo)準(zhǔn)要求。由于管節(jié)的材料較少,無法加工出標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣,因此未進(jìn)行其他力學(xué)性能試驗(yàn)。 

1.2   宏觀觀察

在現(xiàn)場沿焊縫將管節(jié)取下,送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行宏觀觀察。泄漏點(diǎn)位于管節(jié)長度的1/2處。管節(jié)外壁呈金屬光澤,無腐蝕凹坑,也無其他腐蝕痕跡,外壁上存在一條周向裂紋,裂紋長度約為5 mm,裂紋曲折不平直,如圖2(a)所示。由此可以推斷裂紋起始于內(nèi)壁,沿壁厚方向擴(kuò)展至外壁形成泄漏點(diǎn)。 

圖  2  管節(jié)泄漏點(diǎn)處內(nèi)、外壁宏觀形貌

Figure  2.  Macrographs of outer wall (a) and inner wall (b) of pipe section near leaking point

管節(jié)內(nèi)壁表面被黑色油泥覆蓋,如圖2(b)所示,因此難以觀察到金屬形貌。將管節(jié)沿軸線方向分割成4瓣,選取包括泄漏點(diǎn)的部分,彎曲成U形(使裂紋更明顯),彎曲后管節(jié)內(nèi)壁形貌見圖3。由圖3可見：該管節(jié)內(nèi)壁有多條裂紋,裂紋深淺不一,均由內(nèi)壁起裂,其中一條裂紋擴(kuò)展至外壁,引起內(nèi)部介質(zhì)泄漏；裂紋方向呈多樣性,有平行于軸線方向的縱向裂紋、垂直于軸線方向的橫向裂紋以及與軸線方向呈一定角度的斜向裂紋。 

圖  3  彎曲后管節(jié)內(nèi)壁宏觀形貌

Figure  3.  Macrograph of inner wall of pipe section after bending

1.3   金相檢查

從靠近管節(jié)焊縫位置取樣進(jìn)行金相檢查,結(jié)果見圖4。由圖4可見,該裂紋由內(nèi)壁多點(diǎn)起裂,分叉明顯,整體呈樹根形,該形貌符合不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)特征[3],由此推斷該管節(jié)發(fā)生了SCC。在管節(jié)下端,裂紋不但出現(xiàn)在母材處,而且出現(xiàn)在焊縫內(nèi),這說明焊縫內(nèi)也發(fā)生了SCC；在管節(jié)上端的焊縫內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋,在母材內(nèi)也僅發(fā)現(xiàn)1條具有分叉特征的裂紋,且該裂紋的長度以及發(fā)展程度都不及管節(jié)下端母材中的裂紋。將母材內(nèi)裂紋放大觀察。由圖5可見,該裂紋分叉特征明顯,而且裂紋為穿晶裂紋。 

圖  4  管節(jié)焊縫附近裂紋的形貌

Figure  4.  Appearance of cracks near weld in pipe section: (a) lower end of pipe section; (b) upper end of pipe section

圖  5  母材中裂紋局部放大形貌

Figure  5.  Localized enlarged appearance of cracks in base metal

1.4   掃描電鏡和能譜分析

采用掃描電鏡觀察裂紋尖端位置斷口形貌,結(jié)果見圖6。由圖6可見,裂紋尖端為金屬破壞原始表面,斷口表面無腐蝕產(chǎn)物覆蓋,且凹凸不平,在斷口上可見多條穿晶型二次裂紋。斷口上裂紋形貌與圖5中穿晶裂紋的特征相符。 

圖  6  裂紋尖端斷口SEM形貌

Figure  6.  SEM morphology of fracture at crack tip

在靠近內(nèi)壁斷口上,裂紋表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋,利用能譜儀(EDS)對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析,結(jié)果見圖7。能譜分析結(jié)果表明,除鐵、鉻元素外,腐蝕產(chǎn)物中還含有較多的氯元素。氯元素由介質(zhì)帶入,是導(dǎo)致管節(jié)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的主要元素。 

圖  7  腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果

Figure  7.  EDS analysis result of corrosion product

1.5   晶間腐蝕試驗(yàn)

經(jīng)穩(wěn)定化處理的347不銹鋼比一般的304不銹鋼具有更優(yōu)秀的抗晶間腐蝕能力,但添加的Nb元素對(duì)提高材料抗應(yīng)力腐蝕開裂的作用不大。若347不銹鋼處理不當(dāng),其中的碳元素與鉻元素結(jié)合會(huì)形成沿晶界析出的鉻碳化物,造成材料敏化。敏化后材料的抗腐蝕能力下降,更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。因此為排除管節(jié)材料敏化造成的應(yīng)力腐蝕開裂,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管節(jié)母材進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn),確定材料是否敏化。 

晶間腐蝕試驗(yàn)過程如下：將試樣焊接導(dǎo)線并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝,封裝后試樣用砂紙逐級(jí)打磨、拋光,清洗干燥；將處理好的試樣置于10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))草酸溶液中電解浸蝕(陰極材料為鉑片)[4]。在顯微鏡下觀察試樣腐蝕情況,結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明,晶間腐蝕后347不銹鋼為一類階梯組織,這說明材料未發(fā)生敏化。 

圖  8  晶間腐蝕后347不銹鋼的表面微觀形貌

Figure  8.  Micro morphology of 347 stainless steel surface after intergranular corrosion

2.   失效原因分析

管節(jié)泄漏的原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕開裂。由裂紋形貌可見,該裂紋由管節(jié)內(nèi)壁多點(diǎn)起裂,裂紋整體呈樹根形,分叉明顯,這是奧氏體不銹鋼典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征。對(duì)裂紋尖端放大后可見裂紋為穿晶裂紋,裂紋尖端形貌也符合穿晶裂紋特征。裂紋分叉和穿晶是由氯離子引起的奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的典型特征。能譜分析結(jié)果也表明,斷口表面腐蝕產(chǎn)物中殘存著較多氯元素。綜合裂紋特征和腐蝕產(chǎn)物成分可以推斷該管節(jié)發(fā)生了由氯離子引起的應(yīng)力腐蝕開裂,裂紋由管節(jié)內(nèi)壁多點(diǎn)開始,沿壁厚向外側(cè)擴(kuò)展,最終擴(kuò)展至外壁形成貫穿裂紋,引起內(nèi)部介質(zhì)泄漏。 

一般認(rèn)為,導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂需要同時(shí)滿足三個(gè)條件,即材料、應(yīng)力和腐蝕環(huán)境[5]。以下從這三方面逐一討論。 

首先,管節(jié)材料為奧氏體不銹鋼347?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果表明,其化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,而且材料未敏化。由此排除材料因素導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的可能性。此外,在管節(jié)下端的焊縫內(nèi)發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕裂紋。焊縫的化學(xué)成分以及經(jīng)歷的熱處理與管節(jié)母材不同,這也從側(cè)面表明應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因與管節(jié)材料關(guān)系不大。 

其次,由于管節(jié)與主管道相通,管節(jié)與主管道承擔(dān)相同的介質(zhì)壓力。管節(jié)內(nèi)介質(zhì)壓力為20 MPa,在介質(zhì)壓力的作用下,管節(jié)產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力,從而引起內(nèi)壁縱向裂紋的產(chǎn)生。管節(jié)下方與閥門連接,工作時(shí)閥門處于關(guān)閉狀態(tài),作用于閥門的介質(zhì)使管節(jié)沿縱向產(chǎn)生軸向應(yīng)力；此外,管節(jié)下方閥門組件、排污管線受到的重力也會(huì)使管節(jié)產(chǎn)生軸向應(yīng)力。軸向應(yīng)力會(huì)引起內(nèi)壁環(huán)向裂紋的產(chǎn)生。環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力共同作用會(huì)使內(nèi)壁產(chǎn)生斜向裂紋。管節(jié)的工作環(huán)境具備導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力條件。 

最后,管道輸送介質(zhì)為渣油,其中含有氯離子等腐蝕性元素。煉油過程中,原油中的氯離子殘存在渣油中,與其他反應(yīng)介質(zhì)一并通過管道輸送,在一定條件下,氯離子在管節(jié)處匯聚,為應(yīng)力腐蝕開裂提供了腐蝕環(huán)境。主管線內(nèi)介質(zhì)始終處于流動(dòng)狀態(tài),介質(zhì)內(nèi)的腐蝕性元素難以匯聚。主管線內(nèi)介質(zhì)溫度較高,介質(zhì)內(nèi)的水以氣相形式存在,盡管介質(zhì)內(nèi)存在微量的氯離子,但其仍難以使主管線發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。排污管與主管線相連,正常生產(chǎn)時(shí),排污閥關(guān)閉,管節(jié)內(nèi)介質(zhì)不流動(dòng),因此無法從流動(dòng)的介質(zhì)中獲得熱量,其熱量僅來自于金屬熱傳導(dǎo)。管節(jié)后方的排污閥熱量流失較大,而熱量又得不到補(bǔ)充,造成管節(jié)兩端溫差較大。低溫造成管節(jié)內(nèi)局部水相析出,而主管道內(nèi)介質(zhì)中的腐蝕性元素在水相中聚集,形成應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境。 

3.   結(jié)論與建議

管節(jié)失效的原因?yàn)槁入x子引起的應(yīng)力腐蝕開裂。腐蝕性元素來源于管道內(nèi)輸送介質(zhì),管節(jié)內(nèi)介質(zhì)溫度低于主道內(nèi)介質(zhì)溫度,使介質(zhì)中水蒸氣凝結(jié)成水相,渣油中的氯元素,溶解進(jìn)入管節(jié)內(nèi)水相中,同時(shí)該位置溫度高于室溫,加速應(yīng)力腐蝕開裂；管節(jié)與主管道連通,應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力來源于管節(jié)內(nèi)介質(zhì)的壓力和管節(jié)下方組件所受重力；管節(jié)材料為奧氏體不銹鋼,對(duì)介質(zhì)中氯離子敏感。 

建議適當(dāng)提高管節(jié)的溫度,避免介質(zhì)水蒸汽在管節(jié)析出。依據(jù)能量來源,提高管節(jié)溫度可以通過被動(dòng)提高以及主動(dòng)提高兩種方式[6]。被動(dòng)提高管節(jié)溫度方式包括：通過增加管節(jié)以及管節(jié)相連的閥門外保溫層厚度,減少與管節(jié)相連的閥門、管道等位置的熱量流失,從而提高管節(jié)局部的溫度；通過增加管節(jié)壁厚、縮短管節(jié)長度,降低主管道至閥門之間的熱阻,使更多熱量從主管道流向管節(jié)。主動(dòng)提高管節(jié)溫度的方式有增加蒸汽。此外,對(duì)管節(jié)位置的溫度進(jìn)行監(jiān)控,可確保管節(jié)溫度始終處于水冷凝點(diǎn)之上,避免水凝結(jié)析出；檢修時(shí)及時(shí)打開排污閥門,可避免管節(jié)內(nèi)腐蝕介質(zhì)聚集。

文章來源——材料與測試網(wǎng)