奥氏体不锈钢管在柴油介质中的失效分析

汪元德

(兰州石化公司化肥厂)

奥氏体不锈钢管在柴油介质中的失效分析

汪元德*

(兰州石化公司化肥厂)

为查明柴油加氢装置中一段φ14mm、壁厚2mm 的S31668(316)不锈钢压力管道的泄漏原因,对开裂失效的不锈钢管进行了检测分析。结果表明:不锈钢管泄漏的主要原因是柴油中硫、氯含量较高，工作温度又恰好在应力腐蚀敏感温度范围内，导致不锈钢管发生了由内向外的应力腐蚀开裂。此外，保温层中的Cl-吸收空气中的水分，形成腐蚀性介质，产生由外向内扩展的应力腐蚀开裂。内外壁腐蚀性介质和应力的双重作用导致不锈钢管的开裂。

奥氏体不锈钢管 柴油 应力腐蚀 开裂

某石化公司柴油加氢装置的一段奥氏体不锈钢压力管道，在运行过程中发生多处泄漏，在经过补焊修复处理后，焊接部位仍频发泄漏，并且泄漏又在新的部位发生。管内介质为柴油，操作压力为9.0MPa，操作温度约60℃。不锈钢管的外部有保温层。该不锈钢管发生泄漏事故时， 投入运行不到两年。笔者对不锈钢管泄漏部位和未泄漏部位分别取样分析，探讨了不锈钢管泄漏的产生原因。

1 试验与分析

1.1宏观检查

截取发生泄漏的不锈钢管1 200mm，其直径为φ14mm，壁厚为2mm。补焊后宏观形貌如图1所示。可见，补焊区药皮没有清理干净，有表面气孔，且焊接成型不良。外壁存在腐蚀产物和锈斑，并且有划伤的痕迹；内壁局部有浅黑色腐蚀产物斑痕。对不锈钢管的外壁进行渗透检测，发现存在一条表面开口裂纹，如图2所示。

图1 补焊后宏观形貌及金相取样部位

图2 PT检测裂纹形貌及金相取样部位

1.2化学成分

采用德国SPECTROLAB直读光谱仪对不锈钢管的材料进行了光谱分析，结果见表1，可以看出，不锈钢管化学成分符合GB/T 14976-2012对S31668(316)不锈钢的要求。

1.3力学性能

在不锈钢管完好部位取样进行常温拉伸试验，结果见表2。不锈钢管的规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率均符合GB/T 14976-2012对S31668的要求。

表1 不锈钢管的化学成分 wt%

表2 不锈钢管的力学性能

1.4铁素体测量

铁素体含量测定结果见表3(测6组数据，取最大值和平均值)，补焊区的铁素体含量平均值是3.75%，不锈钢管的补焊区铁素体含量明显高于热影响区和基体的含量，补焊区铁素体含量的增加降低了材料的耐腐蚀性能。

表3 铁素体含量测量结果 %

1.5金相检验

补焊区金相样品1的组织为奥氏体+δ铁素体(图3)，存在由外壁向内壁扩展的裂纹，裂纹在补焊区内。补焊区域产生裂纹，说明补焊对不锈钢管没有起到修复作用。

在不锈钢管裂纹附近取金相样品2的未浸蚀形貌如图4所示，存在由内壁向外壁扩展的树枝状裂纹。浸蚀后的金相组织如图5所示，金相组织为奥氏体+少量铁素体，裂纹贯穿于整个横截面，穿晶形态更加明显，具有应力腐蚀开裂的典型特点。

图3 金相样品1补焊区径向截面组织 ×100

图4 金相样品2未浸蚀径向裂纹形貌

图5 金相样品2浸蚀后组织与裂纹形貌

1.6断口扫描与能谱分析

内壁腐蚀形貌如图6所示，由于介质的作用，呈现均匀腐蚀、点腐蚀、沟槽状腐蚀和微裂纹的形态。外壁形貌如图7所示，宏观划伤处存在大量腐蚀产物。

金相样品2沿裂纹打开后的宏观形貌如图8a所示；近内壁区呈现河流状花样，为典型的应力腐蚀开裂特点(图8b)；中间区为羽毛状花样(图8c)；近外壁区存在韧窝，为塑性断裂区(图8d)。该规律说明由于介质原因，不锈钢管由内壁向外壁呈脆性递减趋势。

图6 不锈钢管内壁形貌

图7 不锈钢管外壁形貌

能谱分析结果显示内壁有硫、氯存在；靠近内壁断口硫、氯含量非常高，硫含量达到13.4 wt%，氯含量达到2.29wt%；外壁硫、氯含量介于内壁和靠近内壁断口之间。能谱分析表明裂纹主要是由内向外扩展的Cl-应力腐蚀裂纹，也存在由外向内扩展的应力腐蚀开裂。

图8 断口形貌

2 分析结果讨论

众所周知, 不锈钢发生应力腐蚀需要3个最基本的条件, 即敏感的合金(材料因素)、特定的介质(环境因素)和拉伸应力(力学因素)[1]。

不锈钢管选用的材料为S31668(316)，对应我国的022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢。根据化学成分分析可知，该不锈钢管选用材料的化学成分符合S31668(316)的要求，是氯化物和硫化物敏感合金材料。能够引起 Cr-Ni奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质很多，一般来说, 氯化物的影响最大；硫化氢水溶液、连多硫酸也是产生应力腐蚀的介质[2,3]。不锈钢管的介质(柴油)中含有大量氯化物以及硫化物，符合不锈钢腐蚀特定介质(环境因素)；不锈钢管外壁有保温层，保温层中含有一定的氯化物，保温层破损后，吸收空气中的水分，形成腐蚀性介质，也符合不锈钢腐蚀特定介质(环境因素)。不锈钢管道的操作压力为9.0MPa，受到环向拉应力作用，符合不锈钢腐蚀力学性能因素。

根据金相显微观察，裂纹贯穿整个管壁，沿厚度方向由内向外扩展，呈现树枝状，既有主干，又有分枝，裂纹以穿晶扩展为主。补焊区域也产生了裂纹，沿厚度方向由外向内扩展。

裂纹扫描电镜观察表明，裂纹以穿晶形式扩展并带有分叉，微观断口形貌具有解理或准解理特征，可观察到大量的河流状花样、羽毛状花样和韧窝形貌，断口上可见明显的二次裂纹。

不锈钢管能谱分析表明，靠近内壁断口硫的质量分数最高达13.4%，氯的质量分数高达2.29%，外壁硫、氯含量高于内壁。介质中的氯化物和硫化物对不锈钢管的不断腐蚀，形成了由内向外扩展的裂纹；外壁保温层中的氯吸收空气中的水分，形成腐蚀性介质，对不锈钢管不断腐蚀，补焊后，焊接部位的工作应力残余应力降低了材料的抗腐蚀能力，在氯的作用下产生由外向内扩展的裂纹。最终在内外壁不利因素的双重作用下，导致不锈钢管的开裂失效。

3 结束语

经分析可知S31688(316)不锈钢管泄漏原因为柴油中硫、氯含量较高，工作温度又恰好在应力腐蚀敏感温度范围内，使不锈钢管发生由内向外的应力腐蚀开裂；保温层中含有的Cl-吸收空气中的水分，形成腐蚀性介质，产生由外向内扩展的应力腐蚀开裂；在内外壁的腐蚀性介质及应力的双重作用下，导致不锈钢管的开裂失效。

[1] 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,1985：56.

[2] 孙涛，王齐红，王海平，等. 不锈钢换热管U形部位开裂分析[J].化工机械，2016,43(3)：416～420.

[3] 马小强. 常减压蒸馏装置管道腐蚀失效分析[J].化工机械，2016,43(4)：583～586.

SHI Jian-lana,ZHANG Wei-yab, LUO Yunb,JING You-haib

(a.CollegeofElectromechanicalEngineering; b.CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

Having ANSYS software based to investigate both creep damage and rupture of the nickel-based plate’s brazing joints was implemented, including the prediction of creep life and having residual stress incurred by the fabrication process, the thermal stress in application and the mechanical stress considered and FORTRAN language employed as well as the model based to compile subroutine for the creep damage calculation and to evaluate influences of different joints on both residual stress and creep damage. The results show that, residual stress can be seen at discontinuous structures; and the creep damages accumulated dramatically can accelerate crack initiation and rupture and increasing the tangential overlap area can prolong the joint’s life.

joint form, brazing, creep damage, finite element

*汪元德，男，1966年9月生，高级工程师，设备副总工程师。甘肃省兰州市，730060。

TQ053.2

B

0254-6094(2016)05-0689-04

2016-06-03)

(Continued on Page 680)

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