石化制氫管路異徑三通泄漏失效分析*

來(lái)維亞，杜小英，索 濤，范 磊

(1.石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶石化分公司 陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引 言

2016年4月16日，長(zhǎng)慶石化制氫管線(xiàn)異徑三通發(fā)生泄漏，三通變徑處縱向裂紋長(zhǎng)約40 mm，經(jīng)專(zhuān)業(yè)人員帶壓堵漏，漏點(diǎn)消除，然后對(duì)帶壓堵漏部位進(jìn)行了焊接處理，確保了生產(chǎn)的正常運(yùn)行。2016年長(zhǎng)慶石化大檢修期間，將泄漏異徑三通切割并更換為相同規(guī)格、相同材料的新三通。為了確定2016年4月16日長(zhǎng)慶石化制氫管線(xiàn)異徑三通發(fā)生泄漏失效的原因，對(duì)該泄漏失效的異徑三通進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況及試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了綜合分析。

1 失效情況

泄漏的異徑三通規(guī)格為DN250/12×200/10 mm，材料為304不銹鋼，異徑三通內(nèi)所輸送的氣體介質(zhì)氫氣含量為73.5%，氣體介質(zhì)溫度為144 ℃，氣體介質(zhì)壓力為2.74 MPa，氣體介質(zhì)含量見(jiàn)表1。

表1 氣體介質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

泄漏的異徑三通的直管段長(zhǎng)度為440 mm，異徑管端至直管段中心軸線(xiàn)的距離為220 mm，失效異徑三通規(guī)格為DN250/12 mm×200/10 mm，直管段規(guī)格為DN250/12 mm，異徑管段規(guī)格為DN200/10 mm，材料為304不銹鋼。圖1與圖2為失效異徑三通宏觀(guān)形貌，其中圖2所示的三通表面存在補(bǔ)焊焊縫。圖3為失效異徑三通在現(xiàn)場(chǎng)的宏觀(guān)形貌，異徑三通過(guò)渡部分出現(xiàn)泄漏。圖4是三通切割后的泄漏部位內(nèi)表面宏觀(guān)形貌，開(kāi)裂發(fā)生在異徑三通的過(guò)渡部分，裂紋全長(zhǎng)約40 mm。

圖1 失效異徑三通宏觀(guān)形貌

圖2 失效異徑三通宏觀(guān)形貌

圖3 失效異徑三通現(xiàn)場(chǎng)宏觀(guān)形貌

圖4 失效異徑三通泄漏部位內(nèi)表面宏觀(guān)形貌

2 宏觀(guān)檢驗(yàn)

對(duì)失效的異徑三通的內(nèi)表面和外表面的外觀(guān)進(jìn)行檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，該異徑三通過(guò)渡處存在縱向裂紋。對(duì)DN250/12 mm、DN200/10 mm直管段與異徑過(guò)渡段的壁厚分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為：DN250/12 mm壁厚平均值為11.97 mm，DN200/10 mm壁厚平均值為9.97 mm，過(guò)渡段環(huán)向壁厚平均值為10.49 mm。

3 理化試驗(yàn)

3.1 失效異徑三通管體材料化學(xué)成分

在失效異徑三通裂紋附近的管段上取樣，用ARL 4460直讀光譜儀對(duì)切取的試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可見(jiàn)，失效異徑三通管體材料的化學(xué)成分符合304不銹鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14976-2012的要求。

表2 失效異徑三通管體材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3.2 金相分析

從失效異徑三通的裂紋部位取樣，依據(jù)GB/T 13298-2015、GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行縱向與橫向金相分析，對(duì)試樣的橫向金相組織進(jìn)行顯微維氏硬度檢測(cè)。圖5為橫向金相組織，金相組織為奧氏體+形變馬氏體+條帶狀α鐵素體；圖6為縱向金相組織，金相組織為奧氏體+形變馬氏體+條帶狀α鐵素體；圖7和圖8為裂紋部位的金相組織，裂紋起源于試樣內(nèi)表面，裂紋擴(kuò)展特征為沿晶特征，裂紋附近金相組織均為奧氏體+形變馬氏體+條帶狀α鐵素體。固溶處理的304不銹鋼正常金相組織應(yīng)該為單一的奧氏體組織，而失效異徑三通的裂紋部位及裂紋附近存在形變馬氏體。失效異徑三通的裂紋部位金相組織維氏硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn)，形變馬氏體組織的維氏硬度值約是奧氏體組織維氏硬度值的1.4倍。

圖5 橫向金相組織

圖6 縱向金相組織

圖7 內(nèi)表面處裂紋形貌

圖8 裂紋擴(kuò)展形貌及其金相組織

表3 裂紋部位金相組織顯微維氏硬度檢測(cè)結(jié)果(HV0.2)

3.3 馬氏體含量檢測(cè)

對(duì)失效異徑三通裂紋附近取樣進(jìn)行馬氏體含量檢測(cè)，檢測(cè)所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM-E975和GB8362-87，馬氏體含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可見(jiàn)，失效異徑三通裂紋附近材料中的馬氏體含量為36.1%，其余為奧氏體組織，這說(shuō)明失效異徑三通的不銹鋼材料的奧氏體形變誘發(fā)了馬氏體相變。

表4 異徑三通材料中馬氏體含量檢測(cè)結(jié)果 %

3.4 殘余應(yīng)力檢測(cè)

多晶材料中存在殘余應(yīng)力時(shí)必然存在殘余應(yīng)變與之對(duì)應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部晶面間距變化和X射線(xiàn)衍射譜線(xiàn)位移，通過(guò)分析X射線(xiàn)衍射峰位的變化就可以測(cè)量材料中殘余應(yīng)力的大小及方向。對(duì)失效異徑三通的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置如圖9所示，圖中測(cè)量位置編號(hào)為1～26，每個(gè)位置測(cè)量x和y兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力，檢測(cè)所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)ASTM E915-2010、歐盟EN 15305-2008和國(guó)標(biāo)GB/T 7704-2008。失效異徑三通殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，其中正值應(yīng)力代表殘余拉應(yīng)力，負(fù)值應(yīng)力代表殘余壓應(yīng)力。從表5可見(jiàn)，失效異徑三通局部區(qū)域存在較大的殘余拉應(yīng)力。

圖9 不銹鋼異徑三通測(cè)點(diǎn)編號(hào)

測(cè)量位置編號(hào)殘余應(yīng)力/ MPax方向y方向11541431107422032071672193-4-20-53-314293441955821173033346288281371393783119137117855645798911499905910178162917511-270-261//12227178//13-177-226-97-631417-63-9115-125-1107178

3.5 力學(xué)性能檢測(cè)

在失效異徑三通DN250/12 mm管段縱向上切取拉伸試驗(yàn)與沖擊試驗(yàn)試樣，拉伸性能試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228.1-2010；試驗(yàn)設(shè)備為SHT4106。夏比沖擊試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 229-2007，試驗(yàn)設(shè)備為PIT752D-2(300 J)。拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表7 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.6 裂紋表面微觀(guān)形貌掃描電鏡分析

穿透管壁泄漏部位在管體縱向長(zhǎng)度約為40 mm，圖10為切取的裂紋全長(zhǎng)試樣，標(biāo)注的區(qū)域1與區(qū)域3經(jīng)線(xiàn)切割進(jìn)行裂紋金相分析。圖11為裂紋穿透部位內(nèi)表面形貌，對(duì)該穿透裂紋的表面微觀(guān)形貌用掃描電鏡進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)掃面電鏡微觀(guān)分析，裂紋源區(qū)為沿晶特征，如圖12所示；裂紋擴(kuò)展區(qū)為沿晶+準(zhǔn)解理特征，如圖13所示；裂紋最終瞬斷區(qū)為沿晶+解理特征，如圖14所示。圖12～圖14裂紋表面微觀(guān)形貌表明，失效異徑三通中的穿透管壁的裂紋為沿晶脆性斷裂裂紋。

圖10 裂紋全長(zhǎng)試樣

圖11 裂紋穿透管壁部位試樣

圖12 裂紋起裂區(qū)形貌

圖13 裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌

圖14 最終斷裂區(qū)形貌

4 綜合分析

失效異徑三通在氫氣環(huán)境中已服役使用2年。失效異徑三通裂紋附近試樣化學(xué)成分分析結(jié)果表明，材料化學(xué)成分符合304不銹鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。但其材料的金相組織不是單一奧氏體組織，而是奧氏體+形變馬氏體+條帶狀α鐵素體組織。馬氏體屬于異徑三通成型加工過(guò)程中形變誘發(fā)而產(chǎn)生，形變馬氏體的產(chǎn)生會(huì)直接影響304不銹鋼的力學(xué)性能與抗氫損傷能力[1-2]。裂紋部位的金相分析結(jié)果表明，裂紋起源于失效異徑三通內(nèi)表面，，裂紋附近組織均為奧氏體+形變馬氏體+條帶狀α鐵素體。正常固溶處理的304不銹鋼應(yīng)該為單一奧氏體組織。電鏡掃描結(jié)果表明，裂紋源區(qū)形貌為沿晶形貌；裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀(guān)形貌為沿晶+準(zhǔn)解理；最終斷裂區(qū)微觀(guān)形貌為沿晶+解理形貌。從裂紋擴(kuò)展到最終斷裂區(qū)裂紋表面特征可判斷，失效異徑三通中的穿透裂紋屬于沿晶脆性斷裂裂紋。

馬氏體含量測(cè)定表明，304不銹鋼失效異徑三通材料中形變誘發(fā)的馬氏體含量達(dá)到36%，殘余奧氏體含量約占64%，不銹鋼已存在較強(qiáng)的磁性。形變馬氏體的產(chǎn)生會(huì)使304不銹鋼產(chǎn)生加工硬化，使其抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度值增加，延伸率減小，沖擊韌性降低，局部組織出現(xiàn)脆性并對(duì)氫損傷敏感。材料力學(xué)性能測(cè)試也表明，與室溫固溶處理的304不銹鋼力學(xué)性能比較，失效異徑三通304不銹鋼材料抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度明顯大于普通304不銹鋼，延伸率、沖擊韌性也低于室溫固溶處理的304不銹鋼。失效異徑三通殘余應(yīng)力測(cè)試表明，局部區(qū)域存在較大的殘余拉應(yīng)力，其殘余拉應(yīng)力值為300～400 MPa。殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于高溫固溶處理過(guò)程中沒(méi)有嚴(yán)格按照熱處理規(guī)范進(jìn)行操作[3-4]。

綜上所述，304不銹鋼失效異徑三通成型后由于高溫固溶處理沒(méi)有達(dá)到要求，致使失效異徑三通存在形變馬氏體，而且馬氏體組織含量較高；高溫固溶處理是消除三通殘余應(yīng)力的有效方法，局部出現(xiàn)較高的殘余拉應(yīng)力也說(shuō)明高溫固溶處理不符合熱處理工藝要求。形變馬氏體相的存在使304不銹鋼韌性降低，氫損傷敏感性提高[5-6]。處于上述金相與殘余拉應(yīng)力下的失效異徑三通，在2年的服役期間，氫原子沿馬氏體相擴(kuò)散并進(jìn)入不銹鋼晶間，在拉應(yīng)力作用下裂紋沿晶擴(kuò)展。氫原子在奧氏體+形變馬氏體+條帶狀α鐵素體晶間的擴(kuò)散引起材料局部脆化(氫脆)，材料韌性降低[7]。當(dāng)裂紋由內(nèi)向外沿晶擴(kuò)展到一定程度，在內(nèi)壓(內(nèi)壓有利于氫原子擴(kuò)散)與殘余拉應(yīng)力作用下失穩(wěn)擴(kuò)展，裂紋穿透管壁，導(dǎo)致異徑三通泄漏失效。

通過(guò)上述分析可知，異徑三通成型后由于高溫固溶處理后的材料金相組織沒(méi)有達(dá)到要求，使失效異徑三通的材料中存在形變馬氏體，同時(shí)，高溫固溶處理沒(méi)有消除成型過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，從而在含氫的介質(zhì)中使用時(shí)發(fā)生了氫脆并產(chǎn)生了裂紋，隨后在在殘余拉應(yīng)力和外部載荷的作用下使裂紋擴(kuò)展，最終穿透異徑三通的管壁，導(dǎo)致異徑三通泄漏。所以，失效異徑三通材料中的形變馬氏體相是氫脆裂紋形成的主要原因，而失效異徑三通材料中的殘余拉應(yīng)力是裂紋擴(kuò)展的主要原因。

5 結(jié)論及建議

1)失效異徑三通材料化學(xué)成分和拉伸性能符合304不銹鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14976-2012的要求，失效異徑三通材料的金相組織為奧氏體+形變馬氏體+條帶狀α鐵素體組織。

2)失效異徑三通材料中形變馬氏體含量約為36%，失效異徑三通材料中殘余拉應(yīng)力最大值約為400 MPa。

3)失效異徑三通材料中的形變馬氏體相是氫脆裂紋形成的主要原因，而失效異徑三通材料中的殘余拉應(yīng)力是裂紋擴(kuò)展的主要原因。

4)對(duì)于含有氫氣的304不銹鋼管道、管件在使用前應(yīng)進(jìn)行高溫固溶處理(1 050～1100 ℃，保溫30 min)，以消除殘余應(yīng)力及保證304不銹鋼材料中的金相組織為穩(wěn)定的奧氏體組織。