平衡管道三通开裂失效分析

奚 蔚

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

平衡管道三通开裂失效分析

奚 蔚

(中国石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

通过对开裂的不锈钢三通材料进行了化学成分分析、断口宏微观形貌观察、硬度测试及金相检验，并结合该三通的工作环境进行了失效分析。分析结果表明:该三通材料为321不锈钢，开裂原因为硫化物引起的应力腐蚀开裂。由于材料固溶处理不符合要求，在晶界和晶内析出了大量弥散的碳化物，造成材料耐腐蚀性能下降。

三通 不锈钢 应力腐蚀开裂 失效分析

某公司2号常减压装置大修后，在进行系统运行准备工作吹扫时发现，减底泵P－104C进出口平衡管道上的三通管件存在贯穿性裂纹。该管件投用至今约十年时间，材料为不锈钢321，操作温度为390℃，操作压力为2.0 MPa，管内介质为减压塔底油。为了掌握该三通管件失效原因，对该三通管件裂纹处进行了取样分析，以掌握三通开裂的失效机理，提高装置生产运行安全性。

1 三通管件材料的化学成分分析

为了确认该三通管件的实际使用材料，对管件进行了化学成分分析，其结果见表1。

表1 三通管件材料的化学成分分析 w，%

根据表1分析结果，对照不锈钢钢号标准手册，可以确认该三通管件为奥氏体不锈钢，相近材料牌号为0Cr18Ni10Ti。

2 三通管件开裂处宏观形貌分析

2.1 三通开裂部位及内外表面状况分析

三通开裂部位及内外表面腐蚀形貌见图1，2。

由图1，2可以看出三通管件开裂部位在三通母材管件上，远离连接焊缝，裂纹呈单条裂纹，整个三通管件外表面比较粗糙，局部有小蚀坑，内表面比较光滑，无腐蚀状况。

图1 三通外表面宏观形貌

图2 三通内表面宏观形貌

2.2 三通管件裂纹断口宏观形貌分析

三通管件断口宏观形貌见图3，4。从图3中可以看出整个断口较为平坦，呈纤维状，该断口显示脆性开裂特征。根据断口照片，右侧部位断口颜色呈黄褐色，其余断口较为新鲜，呈金属色，由此可以判断黄褐色区域是裂源部位。由图4可见:裂源处放射状条纹是由外壁向内部发散，由此可以判断裂纹首先从外壁表面产生，随着运行时间的积累向内壁逐步扩展，最终导致整个截面穿透断裂。

图3 外表面状况及断口宏观形貌

图4 局部放大断口宏观形貌

3 三通管件断口的微观形貌分析

为了掌握该三通管件断裂失效机理，对该断口进行微观形貌分析。断口裂源部位的低倍微观形貌见图5。

图5 断口裂源部位的低倍形貌

从图5中很清晰地观察到由外壁向内壁扩展的放射性条纹特征。起裂部位局部放大照片见图6。由图6可以看出裂源部位有腐蚀凹坑存在，且起裂部位上存在较多的腐蚀产物。起裂部位内壁断口的微观形貌见图7。由图7可以看出断口上的腐蚀产物大大地减少，断口呈准解理脆性断口特征。裂源处断口外表面形貌见图8。由图8可以看出外表面存在诸多的腐蚀坑，为诱发裂纹产生原因之一。最终断裂的区域，出断口较为新鲜，局部区域有韧窝状断口特征，但大部分还是准解理脆性特征，说明三通管件材料有一定的脆性，扫描电镜照片见图9，10。

图6 起裂部位局部放大

图7 起裂部位内壁断口的微观形貌

图8 裂源处断口外表面蚀坑

图9 最终断裂的区域

图10 最终断裂的区域

通过对三通断口微观形貌的分析，可以判断该三通管件开裂是由应力腐蚀裂纹导致扩展引起的。说明平衡管所处的最终区域环境一定存在引起应力腐蚀的介质元素，由此可以推断，该区域存在一定的湿度。为了弄清环境影响因素，必需对断口的腐蚀产物进行分析［1－2］。

4 断口腐蚀产物能谱分析

通过断口腐蚀产物能谱分析可以看到腐蚀产物中含有较多的硫，其质量分数达到1.7% ～2.18%。远离起裂部位近外壁的断口区域，可以观察到腐蚀产物中的硫含量明显降低，其质量分数达0.55% ～0.95%。从最终断口的区域，可以看到断口上无腐蚀产物存在，是新鲜断口。

由断口腐蚀产物元素能谱分析结果表明，导致应力腐蚀开裂的主要介质影响因素为环境中存在含硫的硫化物，表明引起三通管件应力腐蚀开裂的介质是硫化物，其失效与管内介质无关。

5 金相组织分析与硬度测定

5.1 母材材料的金相组织分析

对三通管件材料进行了金相组织检查，具体材料组织见图11。从图11中可以看出三通管件母材组织为奥氏体加弥散分布的碳化物，在奥氏体晶界和晶内分布大量的颗粒状碳化物，该组织显示该三通管件固熔化热处理工艺存在问题，引起大量碳化物析出，造成三通管件耐腐蚀性下降。

图11 三通管件母材形貌

5.2 三通管件材料的硬度测定

对三通管件进行显微硬度测定，测定数据见表2。

表2 三通管件显微硬度值(HB)

从表2中可以看出裂纹处材料硬度均超过200HB，不符合SH3408－1996《钢制对焊无缝管件》标准要求，这也说明材料固熔化处理不符合要求。

6 结论

根据前面对三通管件的分析及测试，现将主要结论综述如下:

(1)根据对三通管件处理的化学成分分析，可以确认三通管件为奥氏体不锈钢材料，具体材料牌号为0Cr18Ni10Ti。

(2)根据对断口宏观形貌、微观形貌和腐蚀产物分析，可以确认造成开裂的主要原因为硫化物应力腐蚀开裂，在三通管件外表面形成裂源，向内壁和周向方向扩展，造成最终断裂。

(3)通过对三通管件材料的金相组织分析，可以看出三通管件材料固熔化热处理不符合要求，在晶界和晶内析出大量弥散的碳化物，造成材料耐腐蚀性能下降。

［1］冈毅民.中国不锈钢腐蚀手册［M］.北京:冶金工业出版社，1992:203-205.

［2］陆世英，王欣增，李丕钟，等.不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应力腐蚀不锈钢［M］.北京:原子能出版社，1985:30-32.

Analysis of Cracking Failure of Tees for Pipelines

Xi Wei
SINOPEC Shanghai Petrochemical Co.，Ltd.(Shanghai 200540)

The chemical composition analysis，digital macroscopy imaging，hardness testing and metallographic analysis of stainless steel tees and associated failure analysis of operating conditions have concluded that the cracking of the 321 stainless steel tee was caused by stress corrosion cracking.The solution treatment of materials failed to meet the requirement and large amount of dispersed carbides are educed in grain boundary and grains，which reduced the corrosion resistance of the material

tee，stainless steel，stress corrosion cracking，failure analysis

TG 115

A

1007－015X(2011)03－0051－04

2010－12－ 22;

2011－03－10。

奚蔚，工程师，长期从事炼油企业的防腐管理工作，现为炼油事业部防腐主管。E-mail:shxiwei@163.com