常减压蒸馏装置减压炉进料弯头泄漏原因分析与建议措施

(中国石化青岛炼油化工有限责任公司,山东 青岛 266555)

某公司位于沿海地区，在2019年12月对其常减压蒸馏装置进行检修时发现减压炉第8路进料弯头出现泄漏。弯头材质为304不锈钢，规格为公称直径DN150，设计壁厚6.5 mm，工作介质为常底渣油，硫含量较高。工艺条件为压力1.5 MPa，温度350 ℃。弯头于2008年投用，经历过三次大检修。为了查明弯头泄漏的原因，对弯头进行了理化检验和分析，并提出了相应的建议措施。

1 理化检验

1.1 渗透检测

对弯头进行渗透检测(PT)，如图1所示，弯头上有三处裂纹密集区，其中小R侧母材上有两处，1号区域穿透裂纹面积约为100 mm(环向)×50 mm(轴向)，2号区域内外启裂裂纹面积约为60 mm(环向)×50 mm(轴向)，3号区域外启裂裂纹面积较小，距离焊缝约40 mm处。

图1 弯头渗透检测情况

检测弯头内壁发现，只有1号区域存在明显的腐蚀坑。裂纹只存在于弯头母材，基本呈网状，内壁裂纹深度大于外壁裂纹深度，弯头开裂部位未见有明显的塑性变形，表现出脆性断裂特征。

1.2 壁厚检测

对弯头进行壁厚检测，发现壁厚最小处位于大R侧靠近直管段位置，其壁厚为6.28 mm，考虑到弯头设计壁厚为6.5 mm，且运行时间较长，可以断定弯头整体上并无严重的腐蚀减薄现象。

1.3 化学成分分析

在弯头上取样进行化学成分分析，结果见表1。分析结果表明：除了碳含量稍高以外，其他元素含量均符合相关标准要求。

1.4 拉伸性能测试

在弯头上取样进行轴向拉伸试验，并取重新固溶处理后的试样进行对比，结果表明：两种试样的拉伸性能均能满足相关标准的要求，但试样经固溶处理后其塑性指标提高。

1.5 金相检验

从图1中1号、2号和3号裂纹区域轴向截取试样进行金相检验，如图2所示。由图2可见，裂纹扩展方向基本与内外表面垂直，呈典型的沿晶裂纹扩展特征，局部可见晶粒脱落现象，具有明显的晶间腐蚀开裂特征。同时，试样未经固溶处理前其金相组织为奥氏体，未见有孪晶组织，但晶粒大小不均，存在混晶组织，晶界较宽，而试样经固溶处理后金相组织正常。

表1 化学成分分析结果 w，%

图2 裂纹区金相组织

1.6 硬度检测

硬度检测结果表明，弯头母材试样未经固溶处理前其硬度偏高且不均匀(231.2～316.2 HV)，而经过固溶处理后其硬度正常且均匀(162.7～176.4 HV),另外，金属焊缝、直管母材和热影响区的硬度也在正常范围之内。

1.7 能谱分析

从图1中1号、2号和3号裂纹区域截取试样进行能谱分析，结果发现1号区域的外壁和内壁裂纹区主要有O，S和Na元素；2号区域与3号区域的外壁裂纹区主要有O，S和Cl元素，而内壁裂纹区主要有O和S元素。

1.8 晶间腐蚀试验

在弯头上取样进行晶间腐蚀试验，并取经过固溶处理的试样进行对比，晶间腐蚀试验后试样的宏观形貌见图3。由图3可见，未经固溶处理的试样具有明显的晶间腐蚀倾向，而经过固溶处理的试样其晶间腐蚀倾向明显减弱。

图3 晶间腐蚀试验后试样的宏观形貌

2 分析与讨论

基于以上检测和分析可知：304不锈钢弯头未出现严重的减薄现象；除了碳含量偏高以外，其他的化学成分均在合格范围之内；拉伸性能良好，抗晶间腐蚀的能力较弱。

对于304不锈钢，碳含量对其耐蚀性能具有较大影响。碳含量偏高会造成材料的塑性降低，脆性增强，在承压时易发生脆性断裂，并且在高温环境中也容易发生碳化物析出，即敏化。

该304不锈钢进料弯头未经过充分的加工处理及固溶处理，材料硬度不均匀，力学性能较差，出现材料的敏化现象。对于304不锈钢，由于晶界上碳化物的析出，造成其相邻部分的铬含量降低，形成贫铬区，而贫铬区的耐蚀性较差，在某些腐蚀介质中易发生腐蚀[1]。弯头外壁发现了氯元素，表明弯头外部存在氯离子腐蚀环境。这与装置所处的海洋性大气环境有关，海边多雨多雾，弯头外保温棉中易渗入雨水和盐分，随着管道的运行，盐水在管道表面会不断地浓缩，形成高浓度的盐溶液。奥氏体不锈钢对氯离子的应力腐蚀很敏感，少量氯离子就可能导致不锈钢的应力腐蚀开裂[2]。

此外，该弯头为应力集中区域(如图4所示)，弯头承受控制阀及直管的重力载荷，在轴向产生较大应力，同时弯头本身要承受介质产生的内压。因此，弯头受内外应力的同时作用，使其发生应力腐蚀开裂。

综合上述分析讨论可知，该304不锈钢弯头泄漏的主要原因在于：弯头未经过充分的加工处理及固溶处理，导致材料力学性能较差，出现严重的材料敏化现象，且由于材料碳含量偏高，易发生脆性断裂。另外，弯头长期处于海洋性大气环境中，易发生严重的氯离子腐蚀，在承受内外应力的情况下，弯头发生了晶间应力腐蚀开裂。

3 建议措施

为了降低304不锈钢弯头泄漏带来的生产风险，建议采取以下措施：

(1)对304不锈钢弯头进行硬度检测和超声测厚等检测，检查其余弯头是否存在材料缺陷和壁厚减薄情况，以便采取预防性维护措施，避免泄漏再次发生。

(2)为了隔离盐雾环境，降低腐蚀性介质的影响，对管路系统表面进行清洗，并涂刷专用防锈漆[3]。

(3)对于弯头泄漏和减薄等形式的失效，采取包盒子或更换配件等措施进行处理，及时消除隐患。

(4)降低劣质油掺炼比例，降低原料中的硫含量，做好工艺防腐蚀工作。

(5)定期检测与在线监控相结合，不间断地监控工艺介质和弯头壁厚等参数的变化，以便及时发现设备异常情况，及时消除设备隐患。

4 结 语

在环境介质和内外应力的共同作用下，304不锈钢弯头因材料缺陷而产生的晶间应力腐蚀开裂现象十分普遍，相关的制造和使用单位都应该予以高度重视，在制造和使用304不锈钢弯头的过程中，都应该严格遵守相应的规范和标准，做好质量检测，防止不合格产品被安装使用，留下安全隐患。同时，在海洋性大气环境中使用奥氏体不锈钢弯头时，弯头易发生严重的氯化物应力腐蚀开裂现象，因此，建议采取多种措施提高设备本质安全水平，保障生产装置长周期稳定运行。