不锈钢管线腐蚀泄漏失效分析与防范措施

吴 威

（中国石油大庆石化公司塑料厂，黑龙江大庆 163714）

0 引言

不锈钢具有良好的耐腐蚀特性，在现代石油化工企业中被广泛应用，但在氯离子存在的特殊腐蚀环境下，不锈钢局部腐蚀问题仍十分普遍，且不锈钢的腐蚀一般无法通过外表面的变化或对厚度监测而轻易掌握，不锈钢腐蚀中常见的腐蚀形式为应力腐蚀开裂，危害较大，不容忽视。某化工厂一条304#不锈钢管线运行多年后产生裂纹并泄漏易燃易爆介质，且裂纹不断延展、增多，最终导致装置停工更换管线。根据该腐蚀泄漏管线腐蚀产物成分检测和宏观、微观检查，分析失效原因并制定防范措施。

1 失效管线概况

2019—2020 年，某石化公司一条进料管道焊口附近多次发生泄漏，泄漏部位为两环焊缝附近，从漏点外观可以明显观察到开裂形态，不是腐蚀穿孔。该管线投用日期为2005 年11 月，管线材料为SUS304TP-A 不锈钢（夹套管），管道内介质组分含己烷、低聚物、微量水分以及催化剂残留组分（三乙基铝、四氯化钛），管道压力3.0 MPa，温度230 ℃。

2 检测分析

2.1 管道试样宏观检查分析

在不锈钢管道（带套管的大管道、蒸汽伴热小管道）连同2块碳钢盲板上截取23 个试样，用超声清洗掉表面油污和浮锈，利用体视显微镜进行观察，分析管道各部位腐蚀泄漏宏观形态和特点。为了判断内管远离焊缝的管体是否存在裂纹，在远离焊缝的管体上截取6 个环形试样，粗磨横截面，检查是否存在裂纹。大管道的夹套里有一些淤泥状沉积物，这些沉积物利于腐蚀元素的积累和浓缩。由于大管道切割采用冷却液，这些沉积物被冷却液污染，所以后续不对沉积物成分进行检测。

如图1 所示，两个盲板均有一定程度的腐蚀，其中一块腐蚀严重，已经发生穿孔泄漏，并且该盲板腐蚀区域大部分呈现非常规腐蚀的灰黑色，而不是金属银色，这将在后续电镜和能谱的微观形貌和腐蚀成分中进行检测。

图1 盲板腐蚀形貌

图2 为套管与内管连接的端部区域，可以看出该区域是泄漏部位，其中内管的裂纹在距离焊缝1 cm 热影响区处裂透，然后从内管与环板的焊缝处再裂到外侧。并且环板与内管的角焊缝未开坡口，致使焊缝变成薄弱区域，导致裂纹在此萌生。

图2 原管线纵截面裂纹形貌

由图3 可以看出，小管的开裂部位在距离焊缝5～10 mm的热影响区附近，管体大部分裂开，断口凸凹不平，显示出很多条裂纹，多数为纵向裂纹，并且根据断口最后断开位置在外侧，确定裂纹是由内壁产生向外壁扩展，最后多条裂纹穿透，造成管体完全裂开。另外还发现小管远离焊缝的内壁也有裂纹，但数量较少，未扩展到外壁造成泄漏。

图3 小管道泄漏部位

如图4 所示，该试样的内管内壁一侧可以看出有一条大裂纹，并且存在众多的微裂纹，这符合应力腐蚀裂纹的宏观特征。由此推测应力腐蚀先发生在内管内壁，穿透管体后，介质进入环套空间，再对套管内壁、内管外壁、环板内侧产生应力腐蚀。

图4 试样背面内管内壁裂纹形貌

另外，从式样外观形貌上还发现内管、套管在焊缝热影响区附近内壁均发现很多裂纹，这说明管道焊接残余应力是产生应力腐蚀裂纹的一个重要因素。内管远离焊缝的管体内壁也发现有裂纹，虽然数量不多，但是裂纹也扩展到接近外壁，即将发生泄漏。因此说明管道焊接残余应力不是产生应力腐蚀裂纹的唯一应力条件，管道内压产生的应力也是产生应力腐蚀裂纹的一个主要因素。

2.2 盲板腐蚀表面微观检测分析

通过对2 个盲板试样表面微观形貌和腐蚀产物成分检测，发现未漏盲板封堵区域的表面腐蚀产物主要为铁的氧化物，属于常规氧化腐蚀。泄漏盲板封堵区域的腐蚀表面布满较大凹坑，腐蚀速率很快，造成盲板穿孔泄漏。泄漏盲板上较少面积的灰黑色区域表面腐蚀产物主要也为铁的氧化物，并且有微量的Cl 元素，说明腐蚀介质里有Cl-（或酸），这对腐蚀起到促进加速作用。泄漏盲板上较多面积的银色区域显示出金属晶粒的特征，表面成分检测也表明主要为Fe，表面基本无腐蚀产物。所以判断这部分银色区域应该经历了酸性介质（无机酸类）的化学腐蚀，即酸洗效应，腐蚀产物溶解，因此无腐蚀产物残留。

泄漏盲板封堵区域同时存在灰黑色氧化腐蚀区域和银色酸腐蚀区域，由此推断，盲板封堵区域不是一直经历酸腐蚀作用，可能先期经历了冲刷腐蚀或者垢下腐蚀形式，产生较多氧化腐蚀残留物，后期经历酸腐蚀清洗掉了大部分氧化腐蚀产物。

2.3 小管断口微观检测分析

通过对小管断口试样表面微观形貌和腐蚀产物成分检测，蒸汽伴热用小管断口原始裂纹扩展区域表面布满大大小小裂纹，这是应力腐蚀裂纹扩展特点。小管断口原始表面的腐蚀产物主要为铁的氧化物，但是发现有微量的Cl 元素。Cl 是304#奥氏体不锈钢应力腐蚀最敏感的元素，说明小管开裂是Cl-造成的应力腐蚀。

小管断口新掰断区域表面为韧窝形态，这是正常塑性断裂的断口微观特征，未发现氢脆的沿晶断口痕迹，也未发现晶间腐蚀痕迹，说明小管材质无脆性。

2.4 套管截面裂纹微观检测分析

将4 个套管带焊缝试样用砂纸细磨横截面，用扫描电镜分析裂纹微观形貌，用能谱仪检测裂纹里侧腐蚀产物成分（表1）。

由图5 可以看出，套管横截面的焊缝热影响区在内壁一侧产生很多裂纹，裂纹扩展呈现树枝状分叉现象，这是应力腐蚀裂纹扩展的显著特征，表明套管泄漏是应力腐蚀裂纹造成的。套管裂纹里还残留着微量腐蚀产物，由表1 可以看出，套管裂纹里的腐蚀产物主要为铁的氧化物，还有微量的Cl 元素，说明套管裂纹是Cl-造成的应力腐蚀。

图5 套管截面内壁侧裂纹微观形貌（200×）

表1 套管裂纹腐蚀产物成分

2.5 内管截面裂纹微观检测分析

选取6 个内管试样，其中2 个套外带焊缝试样、2 个套内带焊缝试样、2 个远离焊缝试样，将6 个试样用砂纸细磨横截面，用扫描电镜分析裂纹微观形貌，用能谱仪检测裂纹里侧腐蚀产物成分（表2）。

由图6 可以看出，管试样的内壁均发现了裂纹，裂纹扩展呈现树枝状分叉现象，符合应力腐蚀裂纹扩展特征，表明内管泄漏是应力腐蚀裂纹造成的。并且，内管远离焊缝的内壁也发现了裂纹，说明管道焊接残余应力不是产生应力腐蚀裂纹的唯一应力条件，管道内压产生的应力也为应力腐蚀裂纹提供了条件。由表2 可以看出，内管裂纹中的腐蚀产物主要为铁的氧化物及微量的Cl 元素。这说明内管裂纹也是Cl-造成的应力腐蚀，并且内管截面远离表面区域存在颗粒状非金属夹杂物。

图6 内管远离焊缝截面的裂纹微观形貌（500×）

表2 内管远离焊缝裂纹腐蚀产物成分

2.6 管道金相组织与夹杂物检测分析

通过检测，内管的金相组织为奥氏体，属于304 不锈钢固溶组织。在内管的内壁一侧未发现晶间腐蚀痕迹。内管的裂纹扩展按照穿晶形态前进，符合不锈钢应力腐蚀裂纹特征。内管壁厚中间区域的的微观组织中含有很多个小颗粒组成的非金属夹杂物形成的条带，内管近表面处的非金属夹杂物较少。按照国家标准GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检测法》，管道组织中的条带状颗粒夹杂物按照B 类（条带长度）评级为3.0 级；按照D 类（颗粒数量）评级为3.0 级。这些非金属夹杂物会降低管道的强度，也有助于应力腐蚀裂纹扩展。

3 总结

（1）碳钢盲板腐蚀严重是由于经历了酸腐蚀，酸腐蚀推测来源于介质中的残留催化剂（微量TiCl4在潮湿气氛中发烟，生成TiO2和HCl）。

（2）不锈钢管道泄漏是内壁应力腐蚀裂纹导致的，管道应力腐蚀因素为内压对管体产生拉应力（焊缝附近还叠加焊接残余应力）+介质中的Cl-。

（3）不锈钢管道焊接未开坡口和错边缺陷、焊后未热处理消除残余应力、管体材质夹杂物过多等因素加剧了应力腐蚀程度。

（4）不锈钢管道基本未发现晶间腐蚀、氢脆、孔蚀等其他腐蚀形式。

4 防范措施

（1）由于介质中含有Cl-，Cl-是奥氏体不锈钢应力腐蚀最敏感的元素，因此设计阶段避免使用用304#、316#等不锈钢材料。

（2）由于介质中残留催化剂会生成微量酸，因此该条管线选用碳钢虽然会避免Cl-应力腐蚀，但是局部会产生严重酸腐蚀的可能性，结合工艺条件，取消跨线，消除盲端，避免腐蚀介质在盲端堆积。

（3）由于介质含Cl-和酸腐蚀，碳钢和奥氏体不锈钢均不合适，只有0Cr13 等铁素体不锈钢（铁素体组织）、2205 等双相不锈钢（奥氏体+铁素体混合组织）以及更好的耐蚀合金类材料才能抵抗这两类腐蚀。

（4）铁素体不锈钢焊接性较差，耐蚀合金价格昂贵，只有2205等双相不锈钢价格适中（略高于奥氏体不锈钢），但须注意长期使用温度最好不高于250 ℃，以免造成α 相析出而产生脆化现象。

（5）综合考虑经济性和耐蚀性以及高压条件，该条管线建议选用双金属复合管，外壁为厚壁碳钢材料，内壁为1～2 mm 薄壁2205 等双相不锈钢。

5 结语

分析某化工企业的不锈钢管线失效原因并提出防范措施。不锈钢管线的泄漏因失效过程比较隐蔽，很难提前发现，危害较大，因此在设计阶段要充分考虑介质成分对不锈钢的腐蚀作用，结构上避免存在易集聚腐蚀介质的部位。采购阶段加强管材质量控制。安装阶段加强安装质量管理，避免错口安装，采取措施消除应力。使用阶段控制好温度、压力等参数，避免超设计运行。