加氫處理是重質渣油深度加工的重要環節,其主要作用是脫除渣油中的金屬、硫等雜質,并降低殘碳含量,起到優化油品質量的作用[1]。某加氫裝置原料運輸線排污管節發生了腐蝕開裂。該加氫裝置原料輸送主管道的管材為347不銹鋼,管道內介質為渣油、油汽混合物,壓力為20 MPa、溫度為400 ℃。排污管線位于主管道下方6點鐘位置,并設有排污閥。當加氫裝置正常工作時,排污閥處于關閉狀態,阻止主管線內高溫高壓介質進入排污管線；當加氫裝置維修時,排污閥門開啟,裝置內介質通過閥門進入排污管線。閥門與主管道間通過管節和管座連接,管節直徑48 mm、壁厚10 mm、長80 mm,管節由347不銹鋼鍛造而成。管節上端與主管線接出的管座焊接,管節下端與排污閥門焊接,泄漏點位于管節中央,見圖1。作者從現場勘查取樣,通過化學成分分析、形貌觀察、腐蝕產物分析、金相分析等手段對管節泄漏原因進行分析。 

圖  1  排污管線泄漏位置

Figure  1.  Leak location of blowdown pipeline

1.   理化檢驗與結果

1.1   化學成分與硬度

347不銹鋼是在普通8-18系列不銹鋼中添加Nb,經穩定化處理后形成NbC,該材料耐晶間腐蝕能力比普通不銹鋼更強。采用火花放電原子發射光譜法對管節進行化學成分測定,測定結果如表1所示。該管節的化學成分基本滿足GB/T 14976-2012標準[2]的要求。利用維氏硬度計測量管節1/2壁厚位置的硬度(載荷9.8 N)。結果表明,其硬度為180 HV,滿足正常標準要求。由于管節的材料較少,無法加工出標準的拉伸試樣,因此未進行其他力學性能試驗。 

1.2   宏觀觀察

在現場沿焊縫將管節取下,送到實驗室進行宏觀觀察。泄漏點位于管節長度的1/2處。管節外壁呈金屬光澤,無腐蝕凹坑,也無其他腐蝕痕跡,外壁上存在一條周向裂紋,裂紋長度約為5 mm,裂紋曲折不平直,如圖2(a)所示。由此可以推斷裂紋起始于內壁,沿壁厚方向擴展至外壁形成泄漏點。 

圖  2  管節泄漏點處內、外壁宏觀形貌

Figure  2.  Macrographs of outer wall (a) and inner wall (b) of pipe section near leaking point

管節內壁表面被黑色油泥覆蓋,如圖2(b)所示,因此難以觀察到金屬形貌。將管節沿軸線方向分割成4瓣,選取包括泄漏點的部分,彎曲成U形(使裂紋更明顯),彎曲后管節內壁形貌見圖3。由圖3可見：該管節內壁有多條裂紋,裂紋深淺不一,均由內壁起裂,其中一條裂紋擴展至外壁,引起內部介質泄漏；裂紋方向呈多樣性,有平行于軸線方向的縱向裂紋、垂直于軸線方向的橫向裂紋以及與軸線方向呈一定角度的斜向裂紋。 

圖  3  彎曲后管節內壁宏觀形貌

Figure  3.  Macrograph of inner wall of pipe section after bending

1.3   金相檢查

從靠近管節焊縫位置取樣進行金相檢查,結果見圖4。由圖4可見,該裂紋由內壁多點起裂,分叉明顯,整體呈樹根形,該形貌符合不銹鋼應力腐蝕開裂(SCC)特征[3],由此推斷該管節發生了SCC。在管節下端,裂紋不但出現在母材處,而且出現在焊縫內,這說明焊縫內也發生了SCC；在管節上端的焊縫內未發現裂紋,在母材內也僅發現1條具有分叉特征的裂紋,且該裂紋的長度以及發展程度都不及管節下端母材中的裂紋。將母材內裂紋放大觀察。由圖5可見,該裂紋分叉特征明顯,而且裂紋為穿晶裂紋。 

圖  4  管節焊縫附近裂紋的形貌

Figure  4.  Appearance of cracks near weld in pipe section: (a) lower end of pipe section; (b) upper end of pipe section

圖  5  母材中裂紋局部放大形貌

Figure  5.  Localized enlarged appearance of cracks in base metal

1.4   掃描電鏡和能譜分析

采用掃描電鏡觀察裂紋尖端位置斷口形貌,結果見圖6。由圖6可見,裂紋尖端為金屬破壞原始表面,斷口表面無腐蝕產物覆蓋,且凹凸不平,在斷口上可見多條穿晶型二次裂紋。斷口上裂紋形貌與圖5中穿晶裂紋的特征相符。 

圖  6  裂紋尖端斷口SEM形貌

Figure  6.  SEM morphology of fracture at crack tip

在靠近內壁斷口上,裂紋表面被腐蝕產物覆蓋,利用能譜儀(EDS)對腐蝕產物進行成分分析,結果見圖7。能譜分析結果表明,除鐵、鉻元素外,腐蝕產物中還含有較多的氯元素。氯元素由介質帶入,是導致管節發生應力腐蝕開裂的主要元素。 

圖  7  腐蝕產物EDS分析結果

Figure  7.  EDS analysis result of corrosion product

1.5   晶間腐蝕試驗

經穩定化處理的347不銹鋼比一般的304不銹鋼具有更優秀的抗晶間腐蝕能力,但添加的Nb元素對提高材料抗應力腐蝕開裂的作用不大。若347不銹鋼處理不當,其中的碳元素與鉻元素結合會形成沿晶界析出的鉻碳化物,造成材料敏化。敏化后材料的抗腐蝕能力下降,更容易發生應力腐蝕開裂。因此為排除管節材料敏化造成的應力腐蝕開裂,依據標準對管節母材進行晶間腐蝕試驗,確定材料是否敏化。 

晶間腐蝕試驗過程如下：將試樣焊接導線并用環氧樹脂進行封裝,封裝后試樣用砂紙逐級打磨、拋光,清洗干燥；將處理好的試樣置于10%(質量分數)草酸溶液中電解浸蝕(陰極材料為鉑片)[4]。在顯微鏡下觀察試樣腐蝕情況,結果如圖8所示。結果表明,晶間腐蝕后347不銹鋼為一類階梯組織,這說明材料未發生敏化。 

圖  8  晶間腐蝕后347不銹鋼的表面微觀形貌

Figure  8.  Micro morphology of 347 stainless steel surface after intergranular corrosion

2.   失效原因分析

管節泄漏的原因為應力腐蝕開裂。由裂紋形貌可見,該裂紋由管節內壁多點起裂,裂紋整體呈樹根形,分叉明顯,這是奧氏體不銹鋼典型的應力腐蝕開裂特征。對裂紋尖端放大后可見裂紋為穿晶裂紋,裂紋尖端形貌也符合穿晶裂紋特征。裂紋分叉和穿晶是由氯離子引起的奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂的典型特征。能譜分析結果也表明,斷口表面腐蝕產物中殘存著較多氯元素。綜合裂紋特征和腐蝕產物成分可以推斷該管節發生了由氯離子引起的應力腐蝕開裂,裂紋由管節內壁多點開始,沿壁厚向外側擴展,最終擴展至外壁形成貫穿裂紋,引起內部介質泄漏。 

一般認為,導致材料發生應力腐蝕開裂需要同時滿足三個條件,即材料、應力和腐蝕環境[5]。以下從這三方面逐一討論。 

首先,管節材料為奧氏體不銹鋼347。化學成分分析結果表明,其化學成分滿足標準要求,而且材料未敏化。由此排除材料因素導致應力腐蝕開裂的可能性。此外,在管節下端的焊縫內發現了應力腐蝕裂紋。焊縫的化學成分以及經歷的熱處理與管節母材不同,這也從側面表明應力腐蝕開裂的主要原因與管節材料關系不大。 

其次,由于管節與主管道相通,管節與主管道承擔相同的介質壓力。管節內介質壓力為20 MPa,在介質壓力的作用下,管節產生環向應力,從而引起內壁縱向裂紋的產生。管節下方與閥門連接,工作時閥門處于關閉狀態,作用于閥門的介質使管節沿縱向產生軸向應力；此外,管節下方閥門組件、排污管線受到的重力也會使管節產生軸向應力。軸向應力會引起內壁環向裂紋的產生。環向應力與軸向應力共同作用會使內壁產生斜向裂紋。管節的工作環境具備導致應力腐蝕開裂的應力條件。 

最后,管道輸送介質為渣油,其中含有氯離子等腐蝕性元素。煉油過程中,原油中的氯離子殘存在渣油中,與其他反應介質一并通過管道輸送,在一定條件下,氯離子在管節處匯聚,為應力腐蝕開裂提供了腐蝕環境。主管線內介質始終處于流動狀態,介質內的腐蝕性元素難以匯聚。主管線內介質溫度較高,介質內的水以氣相形式存在,盡管介質內存在微量的氯離子,但其仍難以使主管線發生應力腐蝕開裂。排污管與主管線相連,正常生產時,排污閥關閉,管節內介質不流動,因此無法從流動的介質中獲得熱量,其熱量僅來自于金屬熱傳導。管節后方的排污閥熱量流失較大,而熱量又得不到補充,造成管節兩端溫差較大。低溫造成管節內局部水相析出,而主管道內介質中的腐蝕性元素在水相中聚集,形成應力腐蝕開裂的環境。 

3.   結論與建議

管節失效的原因為氯離子引起的應力腐蝕開裂。腐蝕性元素來源于管道內輸送介質,管節內介質溫度低于主道內介質溫度,使介質中水蒸氣凝結成水相,渣油中的氯元素,溶解進入管節內水相中,同時該位置溫度高于室溫,加速應力腐蝕開裂；管節與主管道連通,應力腐蝕開裂的應力來源于管節內介質的壓力和管節下方組件所受重力；管節材料為奧氏體不銹鋼,對介質中氯離子敏感。 

建議適當提高管節的溫度,避免介質水蒸汽在管節析出。依據能量來源,提高管節溫度可以通過被動提高以及主動提高兩種方式[6]。被動提高管節溫度方式包括：通過增加管節以及管節相連的閥門外保溫層厚度,減少與管節相連的閥門、管道等位置的熱量流失,從而提高管節局部的溫度；通過增加管節壁厚、縮短管節長度,降低主管道至閥門之間的熱阻,使更多熱量從主管道流向管節。主動提高管節溫度的方式有增加蒸汽。此外,對管節位置的溫度進行監控,可確保管節溫度始終處于水冷凝點之上,避免水凝結析出；檢修時及時打開排污閥門,可避免管節內腐蝕介質聚集。

文章來源——材料與測試網