奥氏体不锈钢管线开裂失效分析及预防措施

单婷婷(中国石化股份有限公司天津分公司装备研究院，天津 300271）



奥氏体不锈钢管线开裂失效分析及预防措施

单婷婷
(中国石化股份有限公司天津分公司装备研究院，天津 300271）

摘 要：某石化公司一奥氏体不锈钢管线发生腐蚀开裂。本文通过宏观检验、化学成分分析、金相检验和硬度检验等方法进行失效原因分析，确定开裂原因为碱应力腐蚀开裂，并提出了建议措施。

关键词：开裂 应力腐蚀 金相 硬度

0 管线腐蚀开裂情况

某石化公司水务部一车间在碱渣罐（100m3）防腐施工中，发现罐出口阀后约1m处的弯头透过保温有液体流出，通过气味和手感判断为碱渣。经检查，发现不锈钢弯头上端焊口外侧有约170°弧度长度的裂纹，下端焊口外侧也有一处裂纹。

该管线已建成投用两年半，规格为DN50×5.5mm，材质为304，介质为脱硫制硫碱渣、气分碱渣和气分碱洗水，碱渣的主要成分为硫酸钠和亚硫酸钠，其浓度为5%～10%，操作温度为常温，冬季用180℃蒸汽进行伴热。

1 检验与分析

1.1 宏观检验

宏观观察开裂的直管及弯头，均无明显塑性变形，呈脆性开裂。管线的直管及弯头侧的热影响区均存在裂纹，裂纹主要沿环向开裂，如图1所示。

图1 开裂管线的外壁

图2 沿壁厚剖开后的裂纹扩展形貌

1.2 化学成分分析

对开裂的管线取样进行化学成分分析，结果见表1，管线的化学成分符合参考标准GB 9948-2006《石油裂化用无缝钢管》中规定304的含量范围。

表1 管线的化学成分分析结果

1.3 金相检验

将管线按图2所示剖开，应用PMG3-613U金相显微镜进行检验。弯头侧的裂纹由内向外的扩展形貌见图3，从图上可见，裂纹呈树枝状扩展，主裂纹以穿晶为主，尖端存在穿晶及沿晶混合形貌，裂纹缝隙中充满腐蚀产物，裂纹整体具有较明显的应力腐蚀开裂特征[1]。

焊缝组织为奥氏体+铁素体，组织均匀，未见异常，见图4。直管、弯头的母材及热影响区的组织均为奥氏体，局部存在孪晶，组织中存在较多的碳化物，见图5-图8所示。

GB 9948-2006《石油裂化用无缝钢管》中规定304不锈钢管应在固溶处理后交货，从图4-图8中可见，直管及弯头的金相组织中存在孪晶，且含有较多的碳化物，分析直管及弯头在成型后并未经过有效的固溶处理。

图3 弯头侧热影响区裂纹由内向外的扩展形貌（低倍下观察，左端为内壁）

图4 焊缝组织-200倍

1.4 硬度检验

应用HBS-3000型布氏硬度计对开裂管线的直管、弯头及焊缝等进行硬度检验，结果见表2，检测部位的硬度值较为均匀，未见异常。

图5 直管侧热影响区组织-200倍

图6 直管母材组织-200倍

图7 弯头侧热影响区组织-200倍

图8 弯头母材组织-200倍

图9 304不锈钢材料产生碱脆的浓度与温度关系图

表2 管线的硬度检验结果

2 失效分析结论

从上述检验情况分析，不锈钢管线的化学成分符合标准要求、硬度值未见明显异常。金相检验中发现裂纹在管线内壁的焊缝及热影响区产生，由内向外扩展，具有较明显的应力腐蚀开裂特征，同时，管线未经过有效的固溶处理。

开裂管线的操作介质为脱硫制硫碱渣等，呈碱性，操作温度为常温，该条件下，奥氏体不锈钢一般不易发生氯化物、碱等的应力腐蚀开裂。但是，由于介质碱渣中含有固体颗粒，容易在焊缝附近出现堆积，会使局部碱液的浓度升高；同时，冬季采用180℃蒸汽对管线进行伴热，容易使管线内壁的温度升高，按照GB/T 30579-2014《承压设备损伤模式识别》中关于碱应力腐蚀开裂的相关规定：存在介质浓缩条件时，当碱浓度超过5%时，就可能发生碱应力腐蚀开裂，且随着碱浓度和温度的升高，开裂敏感性逐渐增大。根据有关资料的研究结果[2]，304不锈钢的碱应力腐蚀开裂敏感性曲线一般如图9所示，从图中可以看出，当温度高于120℃时，在存在浓缩环境下，304奥氏体不锈钢容易发生碱应力腐蚀开裂。

同时，根据宏观检验的情况，开裂管线的焊接接头存在错边等成型不良缺欠，这些缺欠增大了焊接接头的局部应力，促进了管线的开裂。

综合上述分析结果，水净化一车间管线的开裂原因为304不锈钢在碱环境下，发生了碱应力腐蚀开裂。

3 建议措施

（1)不锈钢管件应进行有效的固溶处理；

（2）冬季在满足管线内介质不结冰的条件下，尽量降低伴热温度，同时，伴热不能间歇使用；

（3）返修焊接过程中，避免错边等缺欠；

（4）建议对其他未开裂的焊接接头择机进行射线检测。

参考文献

[1] 中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院.炼油装置防腐蚀策略[M].北京：中国石化出版社，2010：9

[2] 李峰.304L在高温碱性溶液中应力腐蚀开裂的研究[D].南京:南京工业大学,2006：54-67

中图分类号：TE980.43

文献标识码：A

DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.04.063.03

作者简介：单婷婷（1983-），女，湖南岳阳人，硕士，工程师，主要从事设备腐蚀研究与防护工作。

Failure Analysis of Cracking and Preventive Measure on Austenitic Stainless Steel Pipeline

SHAN Ting-Ting
(SINOPEC Tianjin Branch Equipment and Instrument Research Institute, Tianjin 300271, China)

Abstract：This article introduced the corrosion cracking on austenitic stainless steel pipeline in a petrochemical company.The failure of cracking was examined by visual inspection，chemical composition analysis，metallographic examination and hardness test.The main reason of this cracking failure was stress corrosion with the existence of alkali substance and several preventive measures were suggested to avoid such corrosion.

Keywords:cracking; stress corrosion; metallography; hardness