排液管及管線失效問(wèn)題的探討與建議*

胡久韶，周 斌，喬光譜

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230031）

排液管及管線失效問(wèn)題的探討與建議*

胡久韶，周 斌，喬光譜

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230031）

通過(guò)廣泛調(diào)研和分析排液管的使用狀況，從排液管的結(jié)構(gòu)、選材和使用條件入手，探討了排液管及管線的選材問(wèn)題和主要失效形式。對(duì)真實(shí)失效案例作了分析討論，提出如下建議：電化學(xué)腐蝕環(huán)境慎選奧氏體不銹鋼；加氫反應(yīng)流出物管線應(yīng)選用347不銹鋼材質(zhì)，停止停工期間的堿洗操作，以防止氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

排液管 失效形式 電化學(xué)腐蝕 反應(yīng)流出物管線

低點(diǎn)排液管也叫導(dǎo)淋管，在管線的最低點(diǎn)，最容易積液的地方一般設(shè)置排液口，安裝排液管。排液管出現(xiàn)的失效問(wèn)題比較多，因大部分可以在線處理，所以較少做失效分析，報(bào)道出來(lái)的案例更少。顯然，國(guó)內(nèi)同行對(duì)排液管失效問(wèn)題還沒(méi)有足夠重視。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，加氫裂化裝置排液管的失效案例很多，因?yàn)槭歉邏号R氫管線，難以帶壓堵漏，對(duì)裝置運(yùn)行影響較大。案例1：國(guó)內(nèi)D石化公司加氫裂化裝置，系統(tǒng)高壓臨氫管線排液管（加氫反應(yīng)器出口管線，材質(zhì)為347）于2009年發(fā)生開(kāi)裂泄漏，導(dǎo)致裝置緊急停車(chē)；案例2：國(guó)內(nèi)J石化公司加氫裂化裝置，系統(tǒng)高壓臨氫管線排液管（加氫反應(yīng)器出口管線，材質(zhì)為347）于2011年發(fā)生開(kāi)裂泄漏，導(dǎo)致裝置緊急停車(chē)；案例3：國(guó)內(nèi)F石化公司加氫裂化裝置熱高分減壓罐至高中壓罐之間排液閥上部閥本體連接管（材質(zhì)為P22）發(fā)生斷裂，導(dǎo)致裝置緊急停車(chē)［1］。以上案例均為加氫裂化裝置排液管的失效案例，對(duì)裝置安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。

1 排液管結(jié)構(gòu)與選材

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

排液管一般有2道焊縫，即主管與支管之間的焊縫、支管與法蘭管件之間的焊縫。對(duì)于公稱(chēng)壓力大于等于10 MPa的管道，一般會(huì)在主管上先焊接支管臺(tái)，此時(shí)，排液管有3道焊縫，即主管與支管臺(tái)間的焊縫、支管臺(tái)與支管間的焊縫及支管與法蘭管件之間的焊縫。

對(duì)于支管臺(tái)與支管之間的連接，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院一般處理方法相同，即DN40以下的支管與支管臺(tái)連接均采用承插焊結(jié)構(gòu)。而GB 50316—2000（2008版）《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了承插焊連接接頭的選用原則：（1）公稱(chēng)直徑不宜大于50 mm，連接結(jié)構(gòu)應(yīng)符合該規(guī)范附錄H第H.1節(jié)的規(guī)定；（2）不得用于有縫隙腐蝕的流體工況中；（3）大于DN40的管徑不應(yīng)用于劇烈循環(huán)條件下。顯然，上述案例1和案例2排液管焊縫均采用承插焊結(jié)構(gòu)是不合適的。

承插焊結(jié)構(gòu)安裝焊接方便，但是因?yàn)槿菀追e液，所以不適用于腐蝕性介質(zhì)。采用對(duì)接焊結(jié)構(gòu)更有利于防腐蝕，缺點(diǎn)是不方便施工，且產(chǎn)生的焊渣容易堵塞支管，但鑒于管道比較短，嚴(yán)格控制焊接工藝，焊接質(zhì)量還是可以保證的。

1.2 材料選擇

排液管的選材一般與主管的選材一致，石油化工裝置以碳鋼（20號(hào)）為主，約占90%以上，圖1所示為石油化工裝置管道各種材質(zhì)所占的大致比例。碳鋼不適用的場(chǎng)合可選擇鉻鉬鋼、奧氏體不銹鋼等。

選用鉻鉬鋼的原因包括：

（1）碳鋼高溫強(qiáng)度不足，如高溫蒸汽管道。

（2）臨氫環(huán)境。如加氫反應(yīng)器前后管線，合成氣、煤氣、變換氣管線等。

（3）高溫硫腐蝕環(huán)境。如含硫的柴油、渣油和蠟油管線等。

選用奧氏體不銹鋼的原因包括：

（1）深冷環(huán)境，防低溫脆斷，如液化天然氣管線等。

（2）高溫環(huán)境，防止高溫蠕變。如苯乙烯裝置820℃蒸汽管線；催化裂化裝置710℃催化劑線；500～750℃煙氣管線；廢酸再生單元780℃裂解氣管線；乙烯裂解裝置600℃以上裂解氣管線；催化重整裝置550℃再生循環(huán)氣管線；制氫裝置及合成氨裝置650℃預(yù)轉(zhuǎn)化氣管線等。

（3）苛刻的高溫硫、高溫環(huán)烷酸腐蝕環(huán)境。如催化裂化裝置的反應(yīng)油氣管線（250～500℃）。

（4）苛刻的高溫H2S＋H2腐蝕環(huán)境（250～500℃）。

（5）碳鋼存在較嚴(yán)重電化學(xué)腐蝕減?。ǘ趸几g、酸性水腐蝕及弱酸腐蝕）環(huán)境。如變換氣管線、中變氣管線、工藝凝液管線、工藝水管線和酸性水管線（80～250℃）。

（6）有潔凈度要求的管道，如化工裝置管道等。

圖1 石油化工裝置管道材質(zhì)大致比例

2 排液管及管線的失效形式

2.1 奧氏體不銹鋼的失效形式

（1）為防止高溫H2S＋H2腐蝕，加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)等部位可選用304或316奧氏體不銹鋼。但因?yàn)楦邷貢r(shí)生成的硫化物在停車(chē)期間遇到氧氣和水反應(yīng)生成連多硫酸，該環(huán)境也是典型的連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境。連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂為晶間腐蝕誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂［2］，所以該部位材料應(yīng)選用抗晶間腐蝕性能較好的347不銹鋼，同時(shí)在停工時(shí)按NACE SP0170—2012的有關(guān)要求進(jìn)行堿洗與氮封。對(duì)比試驗(yàn)證明：347型奧氏體不銹鋼對(duì)連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂不敏感，選用347是能夠抑制連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的［3-4］。盡管如此，如案例1和案例2選用的347材質(zhì)還是發(fā)生了開(kāi)裂，開(kāi)裂泄漏均在裝置開(kāi)車(chē)后不久發(fā)生，有研究認(rèn)為，這是因?yàn)閴A洗帶入了氯離子，氯離子在裝置開(kāi)工過(guò)程中發(fā)生濃縮，從而導(dǎo)致奧氏體不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。案例1中D石化公司采取的解決措施是改承插焊結(jié)構(gòu)為對(duì)接焊結(jié)構(gòu)，取消堿洗，此后運(yùn)行情況良好。國(guó)外公司在最近的設(shè)計(jì)中取消了該排液管，國(guó)內(nèi)新建的中海油惠州煉油廠、中石化福建煉油廠及中石化海南煉油廠等，其加氫裂化裝置采用國(guó)外工藝包設(shè)計(jì)，也取消了該排液管。當(dāng)然，也可將排液管材質(zhì)從347改為鎳合金825，進(jìn)一步抑制氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

（2）溫度550℃以上的高溫環(huán)境，碳鋼、鉻鉬鋼往往不再適用，經(jīng)常選用奧氏體不銹鋼作為設(shè)備和管道用材。為保證材料的高溫強(qiáng)度，高溫下使用的奧氏體不銹鋼應(yīng)具有較高的碳含量。適用于高溫環(huán)境的奧氏體不銹鋼同樣也有潛在風(fēng)險(xiǎn)，如σ相脆化問(wèn)題及再熱裂紋問(wèn)題。σ相脆化通常發(fā)生在溫度600～800℃，最常見(jiàn)的就是催化裝置煙機(jī)入口的煙氣管線［5-6］。為了防止300系列不銹鋼的σ相脆化，焊接時(shí)必須控制焊縫鐵素體含量。鐵素體含量高容易發(fā)生σ相脆化，鐵素體含量低焊接時(shí)又容易出現(xiàn)再熱裂紋，所以必須將鐵素體含量控制在合理范圍內(nèi)。壓力較高的環(huán)境中使用的奧氏體不銹鋼管道壁厚較大，而300系列奧氏體不銹鋼厚壁管的焊接殘余應(yīng)力較高，在穩(wěn)定化熱處理或長(zhǎng)期高溫運(yùn)行的情況下，管系應(yīng)力或焊接殘余應(yīng)力因應(yīng)力松弛而使焊縫產(chǎn)生再熱裂紋，如制氫裝置預(yù)轉(zhuǎn)化氣管線，已發(fā)現(xiàn)多起開(kāi)裂現(xiàn)象［7-8］。

（3）最常見(jiàn)的奧氏體不銹鋼開(kāi)裂問(wèn)題涉及晶間腐蝕或氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。溫度在60～250℃，介質(zhì)中有水汽存在，一般選用20號(hào)鋼，使用過(guò)程中出現(xiàn)較嚴(yán)重腐蝕減薄或泄漏，為解決腐蝕減薄問(wèn)題，設(shè)備管理人員嘗試將20號(hào)鋼改為304L或316L，結(jié)果又頻繁出現(xiàn)開(kāi)裂泄漏［9-12］。如變換氣管線、中變氣管線、工藝凝液管線、工藝水線、酸性水線、富胺管線和各種塔頂（常壓塔、再生塔）冷卻系統(tǒng)管線等，這些部位均為電化學(xué)腐蝕環(huán)境，對(duì)20號(hào)鋼造成均勻腐蝕，奧氏體不銹鋼在此環(huán)境下容易發(fā)生晶間腐蝕或氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

（4）對(duì)于高溫硫腐蝕環(huán)境、深冷環(huán)境、潔凈度要求高的環(huán)境而選用奧氏體不銹鋼的情況，腐蝕失效問(wèn)題相對(duì)較少。

（5）為了防止高溫環(huán)烷酸腐蝕，管道選用不含Mo的奧氏體不銹鋼304L，或選用了316L但是Mo含量不夠，也會(huì)導(dǎo)致奧氏體不銹鋼管道耐蝕性不足，存在腐蝕減薄的可能性。

2.2 鉻鉬鋼的失效形式

選用鉻鉬鋼主要原因是：碳鋼高溫強(qiáng)度不足，臨氫環(huán)境，高溫硫腐蝕環(huán)境等。這種環(huán)境溫度一般較高，發(fā)生電化學(xué)腐蝕的可能性較小。鉻鉬鋼最常見(jiàn)的問(wèn)題是減薄和開(kāi)裂，減薄導(dǎo)致泄漏的情況較少見(jiàn)，開(kāi)裂導(dǎo)致泄漏的情況較為常見(jiàn)。鉻鉬鋼開(kāi)裂泄漏的原因如前述案例3一樣，往往是由于焊接缺陷造成的［13］。

2.3 碳鋼的失效形式

碳鋼管道最常用的材料牌號(hào)是20號(hào)鋼，其排液管最常用的材質(zhì)也是20號(hào)鋼。因?yàn)?0號(hào)鋼的強(qiáng)度較低，韌性較好，其焊接殘余應(yīng)力、硬度等指標(biāo)均相對(duì)較低，所以其應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性不大，但工程上還是會(huì)出現(xiàn)一些應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂案例［14-15］。這些案例中腐蝕環(huán)境均比較典型，如液化氣、富氣和酸性氣等。這種介質(zhì)環(huán)境中硫化氫含量明顯較高，而碳鋼管道的開(kāi)裂常常伴隨制造質(zhì)量問(wèn)題，如硬度偏高、未焊后熱處理及含有明顯的焊接缺陷等，導(dǎo)致碳鋼的濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是碳鋼管道最常見(jiàn)的開(kāi)裂機(jī)理，其他還有堿開(kāi)裂、胺開(kāi)裂等機(jī)理。為了消除堿開(kāi)裂、胺開(kāi)裂，設(shè)計(jì)、安裝階段要盡量消除管道內(nèi)應(yīng)力，操作階段要加強(qiáng)蒸汽吹掃與伴熱使用管理，嚴(yán)格控制介質(zhì)溫度［16］。

總的來(lái)說(shuō)，碳鋼排液管最為常見(jiàn)的失效形式還是腐蝕減?。?7-22］。因?yàn)檩^為常見(jiàn)，所以設(shè)備管理人員往往現(xiàn)場(chǎng)處理，而報(bào)道出來(lái)的相對(duì)較少。碳鋼腐蝕減薄涉及的介質(zhì)多種多樣，腐蝕機(jī)理也各不相同，主要分化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕常見(jiàn)的機(jī)理包括高溫硫腐蝕、高溫環(huán)烷酸腐蝕及高溫硫化氫或氫氣腐蝕；電化學(xué)腐蝕機(jī)理更為復(fù)雜。碳鋼管道還會(huì)發(fā)生疲勞開(kāi)裂問(wèn)題［23］及因制造缺陷導(dǎo)致的開(kāi)裂問(wèn)題［24］等。

3 討 論

3.1 電化學(xué)腐蝕環(huán)境下的選材

電化學(xué)腐蝕環(huán)境下，使用碳鋼存在腐蝕減薄問(wèn)題，如果減薄嚴(yán)重，設(shè)計(jì)人員或設(shè)備管理人員首先會(huì)考慮選用304L或316L。但從實(shí)際情況來(lái)看，304L或316L的氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題很普遍，這是因?yàn)殡娀瘜W(xué)腐蝕環(huán)境下存在氯離子的可能性很大，如果運(yùn)行溫度較高，氯離子可發(fā)生凝縮，開(kāi)裂的可能性也會(huì)增大。因此，遇到碳鋼腐蝕減薄嚴(yán)重時(shí)，建議要分清腐蝕類(lèi)別是電化學(xué)腐蝕還是化學(xué)腐蝕，如果是化學(xué)腐蝕，可以選用鉻鉬鋼或奧氏體不銹鋼；如果是電化學(xué)腐蝕，一定要慎用奧氏體不銹鋼。碳鋼的腐蝕減薄可以通過(guò)在線監(jiān)控、定點(diǎn)測(cè)厚來(lái)檢測(cè)腐蝕嚴(yán)重程度；而奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程很難監(jiān)控，何時(shí)開(kāi)裂失效很難預(yù)判；而選用超級(jí)不銹鋼或鎳基合金的代價(jià)又太高，因此，電化學(xué)腐蝕環(huán)境下建議繼續(xù)使用碳鋼。

3.2 加氫反應(yīng)流出物管線堿洗問(wèn)題

長(zhǎng)期以來(lái)，為了防止加氫反應(yīng)流出物管線停車(chē)期間連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，一直沿用氮封和堿洗的保護(hù)措施。目前該管線材質(zhì)一般選用347不銹鋼，試驗(yàn)表明，347材質(zhì)是能夠防止連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的，但347材質(zhì)易遭受氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。堿洗過(guò)程雖然消除了硫化物（連多硫酸），但是卻可產(chǎn)生氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境，國(guó)內(nèi)D石化公司的實(shí)踐表明，取消堿洗是完全可行的。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)石油化工裝置排液管及管線的失效案例分析，從選材的角度討論了工程上常用的碳鋼、鉻鉬鋼和奧氏體不銹鋼的主要腐蝕問(wèn)題，并提出以下建議：

（1）電化學(xué)腐蝕環(huán)境慎用奧氏體不銹鋼；

（2）加氫反應(yīng)流出物管線使用347材料，可取消堿洗。

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Discussion and Suggestion on the Failure of Drain Pipe

Hu Jiushao，Zhou Bin，Qiao Guangpu
（Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230031，China）

Based on extensive investigation，material selection and main failure mode of the drain pipe were analyzed from the aspects of structure，material selection and application conditions of the pipe.Several suggestions were proposed through the discussion of failure cases，such as choosing austenitic stainless steel carefully under electrochemical corrosion environment，using 347 stainless steel in hydrogenation effluent line and stopping caustic washing during shutdown to prevent chloride ion stress corrosion cracking.

drain pipe，failure mode，electrochemical corrosion，reaction effluent line

2017-08-15；修改稿收到日期：2017-10-12。

胡久韶，高級(jí)工程師，2002年畢業(yè)于浙江大學(xué)過(guò)程裝備與控制專(zhuān)業(yè)，主要從事工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的科研與技術(shù)服務(wù)工作。E-mail：Hj59＠qq.com

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“高參數(shù)承壓類(lèi)特種設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)防控與治理關(guān)鍵技術(shù)研究成套裝置承壓設(shè)備服役過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)控制關(guān)鍵技術(shù)研究”（2016YFC0801903）。

（編輯 王維宗）