沿海环境中保温层下不锈钢管的开裂原因

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(1. 新疆中油建筑安装工程有限责任公司，乌鲁木齐 830001; 2. 中石油广西石化有限公司，钦州 535008;3. 沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司，沈阳 110180)

长期以来，国内炼化行业对保温层下腐蚀(CUI)问题并不重视，很多学者在研究保温时只关注保温层材料的选择和保温效果[1]；而在研究设备腐蚀时只重视材料的耐蚀性[2]，忽视保温层在使用过程中给设备、管道带来的腐蚀问题[3-7]。随着我国经济飞速发展，能源消耗也迅猛增加，这加速了沿海地区大型炼油厂的发展。但是，设备材料在海洋工业大气环境中的腐蚀十分严重，是在沙漠环境中的100～150倍[8]，因此，沿海企业的保温层下设备管道的腐蚀问题更加突出[9]。

由于炼化企业的保温层下管道主要为碳钢，设计单位和使用企业均对保温层下碳钢管道采用外壁涂覆涂层后再覆盖保温层的防护方法，取得了良好的效果[10]。然而，由于不重视保温层下不锈钢管道的防腐蚀设计，在运行过程中设备、管道的失效事故时有发生[11-12]，严重时会引起不锈钢管道失效，导致被迫停工，这不仅造成环境污染及经济损失，同时也严重威胁着操作人员及附近人员的人身安全。

某沿海炼厂，除盐水管道材质为304不锈钢，壁厚4mm，管道内介质温度为70℃，压力为0.39MPa。采用硅酸铝纤维针刺毯作为保温层，外用0.6 mm厚铝板包覆。服役4 a后，发现管道漏水，拆除保温层后发现管道表面出现肉眼可辨的裂纹。本工作对该管道的失效原因进行了分析，找出了失效原因，以期为在类似环境中服役管道的设计、安全运行及日常检测提供案例参考。

1 理化检验

1.1 外观检查

由图1可见：管道外表面出现肉眼可见的树枝状裂纹，最宽裂纹达到0.5 mm；严重开裂部位腐蚀锈斑严重，呈黑色瘤状物。将样品表面打磨清理后发现管道外表面有明显的氧化锈斑及大量腐蚀麻点，如图2所示；观察管道横截面，裂纹呈现清晰的网状形貌，裂纹由外表面向内表面延伸，如图3所示。

图1 管道外表面裂纹形貌Fig. 1 Crack morphology on the outer surface of the pipeline

图2 管道外表面腐蚀形貌Fig. 2 Corrosion morphology on the outer surface of the pipeline

图3 管道横截面形貌Fig. 3 Cross section morphology of the pipeline

1.2 化学成分分析

截取失效管道基体进行化学成分分析，结果表明管道材质符合GB 13296-2007标准中对于304不锈钢的要求，见表1。

1.3 金相组织

沿着失效样品纵向进行切割，取样品截面经过镶嵌、抛光后进行观察，发现裂纹起源于管道外表面，并以树枝状在管壁上由外向里扩展，见图4(a)；局部放大后发现主裂纹起源于管道的外表面，并从外表面向内表面扩展，裂纹呈树枝状分布，裂纹未贯穿管壁，见图4(b)；进一步放大后发现奥氏体组织清晰可辨，裂纹大部分贯穿奥氏体晶相，但也有部分裂纹沿晶扩展，见图5。

表1 失效管道的化学成分Tab. 1 Chemical composition of the failed pipeline %

(a) 低倍

(b) 高倍图4 裂纹形貌Fig. 4 Origin direction of cracks:(a) low mignification; (b) high mignification

图5 裂纹扩展形貌Fig. 5 Propagation morphology of crack

1.4 腐蚀产物成分

失效试样沿裂纹掰开，观察裂纹断面的形貌后发现，中段的裂纹呈片状脱落，并有一层附着物覆盖，见图6。

图6 裂纹断口形貌Fig. 6 Fracture morphology of the crack

对附着物进行定点能谱(EDS)分析，检测部位如图7所示。由表1可见：断口上存在大量的氧化物，还存在较多的氯化物。所以导致管道应力腐蚀开裂的主要腐蚀因子为氯离子。

(a) 位置1(b) 位置2

(c) 位置3(d) 位置4图7 能谱分析位置Fig. 7 Analysis positions of EDS

1.5 显微硬度

对裂纹区域的基体试样进行显微硬度检测，结果发现，裂纹区域试样的最小硬度为0.219 8 HV,最大硬度达到0.225 1 HV，管道的硬度不均匀。奥氏体不锈钢设备或管道及附件等在成型过程中一般都需要进行冷加工，这个过程会引起较高的应力[13]，这为应力腐蚀创造了有利的条件。

表2 腐蚀产物的EDS分析结果Tab. 2 EDS analysis results of corrosion products

2 讨论

通过对裂纹的宏观和微观特征进行观察，可以判断裂纹起源于外表面，并呈树枝状扩展，裂纹穿晶，为典型的奥氏体应力腐蚀开裂。结合使用断面残留物元素含量分析可知，引起奥氏体应力腐蚀开裂的主要腐蚀性离子是管道表面的氯离子。

沿海环境中空气湿度大，含有一定量的盐雾、以及工业污染物。虽然在管道表面采用吸水能力很小的硅酸铝纤维毯覆盖，但由于硅酸铝纤维毯为多孔结构，有较大的表面积和表面能，同时有丰富的毛细管，使其具有较强的吸附能力。当硅酸铝纤维毯表面的吸湿率超过允许极限时，势必会引起相变，由水汽变为液滴，这些液态的水滴携带着盐雾及腐蚀性杂质形成强的电解质溶液，有很强的腐蚀能力。而多孔材料之间存在温度或浓度差，在孔隙间以渗流、扩散的形式由保温层外表面向内表面发生迁移及能量传递[14]。当含有氯的腐蚀介质迁移到管道表面时，会侵蚀管道外表面，而且在管道表面局部区域富集，使奥氏体不锈钢对氯离子应力腐蚀开裂敏感性明显升高，在雨水的综合作用下，氯离子富集浓缩，当氯离子达到一定浓度后，出现裂纹由管外壁向内壁扩展，导致奥氏体不锈钢发生氯化物应力腐蚀开裂[15-16]。

3 结论与建议

海洋气候环境中保温材料的大比表面积，容易吸附水气，导致管道表面氯离子富集，为应力腐蚀开裂提供了环境，管道平均硬度超标，存在着较高的残余应力，为应力腐蚀创造了有利的条件，保温层管道开裂失效是氯离子引起的奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂。

针对开裂情况，提出以下建议：厂内奥氏体不锈钢设备、管道、阀门在设计时进行规定保温材料的氯化物含量限值，并对辅助材料如水泥、黏合剂、填缝剂、腻子及包皮材料等均作了详细规定。对保温层下不锈钢管道进行检修时，建议采用PT(渗透测试),UT(超声测试)等适合的检测方法。