渣油管道水平支管断裂失效分析

齐耀东

1. 概述

某炼油厂渣油管道水平支管在与主管加强管接头焊接热影响区处断裂，造成漏油事故。该管道输送介质为常减压渣油，管道公称直径DN250mm，设计压力1.25MPa，操作压力1.1MPa，设计温度250 ℃，操作温度100~130℃，压力表管嘴支管规格为φ34mm×4.5 mm，接管长度150mm，设计选材主管和支管均为20钢。

2. 分析思路

对截取的试件进行宏观观察发现，从裂缝判断，其断裂产生于裂纹的扩展和聚合，最后导致断裂。从裂缝走向和形貌上初步判断其断裂是由应力作用下的裂纹扩展引发的。为了确定断裂发生原因和断裂机制，需分别对断口部位管道的材质和远离断口部位的材质进行：化学成分、金相组织和夹杂物的分析。同时，需对失效渣油管道进行断口的宏观和微观监测分析，根据断口宏观和微观特征推断管道的开裂机制；再进一步对裂纹尖端进行微观形貌分析，并结合管道实际服役环境特点，分析腐蚀环境与开裂机制的关系；最后综合渣油管道的材质性能、断口特征，给予相应的力学、开裂力学以及腐蚀电化学理论分析，确定渣油管道开裂原因，并在此基础上对其余渣油管道复检、使用以及设计、施工上给出建议。

为了进行上述分析，对截取的两块渣油管道试件进行取样分析，主要取样部位为150mm支线管道的断口部位和远离断口的部位。其中远离断口部位管道取样无特殊要求，对于断口的管道取样需沿断口取样进行裂纹微观形貌分析（保留断口），以进一步判断其失效原因。取样位置如图1所示。

图1 取样位置

3. 分析结果

（1）管道材料性能测试 材料基体化学成分分析：取断口部位和远离断口部位上的粉末分别进行化学分析，结果表明送检的渣油管道的化学成分基本符合国家碳素钢标准GB699—1999。

金相组织及夹杂物分析：截取断口部位试样和远离断口部位试样，将试样处理之后进行金相组织观察，参照标准为GB/T13298—1991（金属显微组织检验方法）。不同部位的钢板金相组织基本一致、分布均匀。

对夹杂物进行电子能谱（EDS）分析，表明这些夹杂主要是含C、O等元素的化合物。

金相组织和夹杂物观察表明，失效管道材料基材的组织结构和夹杂物无异常情况，属于正常的组织结构。

（2）断口特征分析 断口宏观形貌特征分析：渣油管道断口部位宏观形貌如图2所示。图2a主管裂纹发生在焊接接头的熔合区和热影响区，并沿焊缝周向发展。从侧面看，裂纹两侧凹凸不平，耦合比较自然，属于锯齿状耦合。此外，随着时间的推移，主管的裂纹长度不断扩展，取下时接头焊缝已接近完全断开。图2b显示，支管裂纹发生在焊接接头的热影响区，并沿焊缝周向发展。与主管接头的开裂一样，裂纹的长度随着时间不断扩展。由图2c、2d可知，管道断口宏观形貌呈现脆性特征。大部分区域比较平整，断口表面呈褐色和暗色，夹带部分黄锈；断口有较明显的腐蚀特征，有较多腐蚀产物，并伴有氧化现象。由此可看出，失效管道断口具有应力腐蚀的特征。

断口断面微观形貌分析：将截取的试样经过处理后进行SEM观察发现，其断面微观形貌均一致，从断口同一位置的微观形貌放大图可清晰看出，材料晶界间缝隙非常明显，晶体结构疏松。

从六个不同位置的断口形貌放大图可见，断口相对平整，明显看到平行分布着大量大小、长度不一的裂纹。

断口显微形貌如图3所示，从图中可明显看出断口上的台阶状断裂纹路，上侧为管道内表面，这表示断裂起始是从内表面开始的脆性断裂。

裂纹微观形貌分析：将截取的试样经过处理后，对断口纵切面进行SEM观察发现，其断面微观形貌均一致。对断面上阶梯状断裂纹路进行再一次放大观察可见，裂缝深入基体，裂缝中有腐蚀产物存在，断面微观形貌呈现沿晶型应力开裂特征。

将裂纹区域在扫描电镜下观察，得知裂纹中有黑色腐蚀产物，对黑色区域进行EDS能谱分析，其结果表明裂纹内的腐蚀产物以C、O、Fe、Si和S为主。

（3）腐蚀产物分析 将管道内表面锈层置于扫描电镜下观察，发现钢材基体表面有黑色腐蚀产物层，对黑色区域进行EDS能谱分析，其结果表明腐蚀产物以C、O、Zn、N、Fe和S为主。

图2 裂缝的宏观形貌

图3 断口微观形貌

4. 腐蚀机理分析

从裂纹形貌及裂纹扩展特征来看，渣油管道内部裂纹非常疑似应力腐蚀裂纹。由于应力腐蚀必须满足拉应力（包括结构应力和残余应力）、敏感腐蚀性介质和敏感材料三个条件，以下针对这三个方面分别进行分析。

（1）管道受力 渣油管道应力可能来自以下几个方面：①管道内部污水的工作应力或振动导致的应力。②断口紧挨焊道，处于焊接的热影响区，加工工艺导致的残余应力。③腐蚀产物及腐蚀过程阳极溶解所形成的各种产物，体积一般都大于被腐蚀掉的金属体积，这种体积变化在闭塞的部位可以导致很大的应力。④阴极反应析出的氢，如进入金属某些部位富集形成氢分子，因产生很大的压力而引起的应力等。根据其断口形貌观察及裂纹内部腐蚀产物EDS结果可知，其应力来源上述四种均有可能。

（2）腐蚀环境 由前面所述内容可知，管道内部污水含有大量的S、Cl、N、F等化合物，这些离子都是引发腐蚀或者应力腐蚀开裂的重要因素。

（3）材料特性 渣油管道采用的材质是20钢，该钢材虽然符合国家标准要求，但是其材质在含N、S环境下具有比较严重的应力腐蚀敏感性。

5. 结语

根据以上分析可判断，应力腐蚀是造成渣油管道失效的主要原因。上述各项测试及分析表明，失效管道满足发生应力腐蚀的两个条件：①腐蚀环境和应力的作用。②裂纹、断口等都具有应力腐蚀的特征。而焊接和工作振动使焊接接头形成了应力源和腐蚀源，服役环境中腐蚀介质是造成应力腐蚀的必然因素。

由分析结果可见，渣油管道断裂虽然是偶然事件，但根据管道的服役条件判断，这种断裂有可能会普遍发生，因此建议对类似服役的管道进行抽样检测验证。

管道工作时的振动、内部输送介质造成的腐蚀环境和焊接加工工艺都是造成管道开裂的因素，在今后的设计、施工过程中，可从以下方面进行控制：①泵出口管道受机械振动传递影响较大，应设置弹簧支架加以固定，并减缓传递的振动。②避免仪表支管水平布置，若水平布置时应采取有效防振减振措施。③焊接操作应严格按照工艺要求执行，避免焊接残留应力，或进行焊后热处理以改善焊缝晶间组织结构。

此外，还建议开展管道在渣油环境下应力腐蚀发生规律的研究，同时加强相应的环境监测、裂纹监测和寿命评估等方面的监测和预警方法。