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奥氏体不锈钢管在柴油介质中的失效分析

发布者:不锈钢管|威尼斯不锈钢管   发布时间:2019-3-30 11:05:41

为查明柴油加氢装置中一段14mm、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。
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1200mm,其直径为14mm,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。
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/T14976-2012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/T14976-2012对S31668的要求。
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。
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。
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。
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13.4wt%,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。
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。

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