柴油加氫裝置換熱器出口管線的失效原因

單廣斌，劉小輝，李貴軍，黃賢濱，屈定榮

（中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，青島266071）

某柴油加氫裝置的反應(yīng)流出物與原料油換熱器出口管線，在運行過程中出現(xiàn)泄漏，見圖1。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)該管道在焊縫和母材均出現(xiàn)裂紋，為了查明裂紋產(chǎn)生的原因，本工作對其開展了失效原因分析。

圖1 失效管道位置照片及示意圖Fig.1 Photo and schematic diagram of the failed pipeline

失效管道材質(zhì)為TP321，尺寸為φ114 mm×11 mm，內(nèi)部介質(zhì)為直餾柴油和催化柴油，操作壓力為8 MPa，操作溫度150℃。

1 理化檢驗與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

由圖2可見：失效管段外表面比較光滑，無明顯腐蝕坑點，焊肉飽滿，未見明顯腐蝕痕跡；內(nèi)表面存在灰黑色垢污附著；清洗后，可見細(xì)小腐蝕坑和多處裂紋；管道橫截面上可見眾多細(xì)小裂紋，表明裂紋起源于內(nèi)表面，并沿徑向向外表面擴(kuò)展，觀察管道厚度未見明顯的腐蝕減?。粡墓艿纼?nèi)側(cè)觀察主裂紋，裂紋起源于焊縫熱影響區(qū)，并向遠(yuǎn)離焊縫方向擴(kuò)展，如圖2（e）所示。

1.2 化學(xué)成分

采用OBLF QSN750火花直讀光譜儀對失效管段的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

化學(xué)成分分析結(jié)果表明：失效管道的化學(xué)成分符合ASME SA－312 TP321的技術(shù)要求，即失效管道的化學(xué)成分是合格的。

1.3 組織形貌

沿失效管道的橫向取樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光和侵蝕后，觀察試樣的裂紋形貌及其微觀組織。由圖3可見：裂紋呈樹枝狀擴(kuò)展；采用王水溶液侵蝕后，觀察到管道截面的金相組織主要為奧氏體組織，分布有氮化物、氧化物、碳化物等夾雜物，晶粒均勻，采用比較法評級約為6級；裂紋擴(kuò)展以穿晶為主。

圖2 失效管段宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the failed pipeline：（a）appearance of the outer surface；（b）appearance of the inner surface（before cleaning）；（c）appearance of the inner surface（after cleaning）；（d）sectional morphology of the pipeline；（f）morphology of the main crack on the inside of the pipeline

表1 失效管道的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of the failed pipeline%

1.4 顯微硬度

對失效管道的橫截面進(jìn)行顯微硬度測試，母材試樣的顯微硬度為HV169，焊縫及熱影響區(qū)的顯微硬度約為HV234（≈HB 232）和HV209。

圖3 失效管道的裂紋形貌及其微觀組織Fig.3 Crack morphology（a）and microstructure（b）of the failed pipeline

1.5 管道腐蝕產(chǎn)物的物相

失效管道內(nèi)部刮取裂紋附近的腐蝕產(chǎn)物，對其進(jìn)行XRD分析，結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物的主要物相為氯化銨及鐵的硫化物和氧化物。

1.6 微觀形貌及成分

管道內(nèi)表面覆蓋垢污，導(dǎo)電性差，電荷易積聚，表面形貌難以看清。將其中一條裂紋沿裂紋面打開，采用掃描電鏡（SEM）觀察，表面覆蓋薄層腐蝕產(chǎn)物，可見解理特征。對裂紋面進(jìn)行EDS分析，其主要元素有C、O、Si、S、Cl、Cr、Fe、Ni、Ti等，見圖4，其中Cl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.98%，S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.95%。

2 討論

圖4 裂紋面形貌及能譜分析結(jié)果Fig.4 Crack surface morphology（a）and EDS analysis results（b）

由失效管道裂紋面的微區(qū)元素分析以及管道內(nèi)表面垢污的成分分析可知，管道內(nèi)存在大量氯化物，同時腐蝕產(chǎn)物中還含有鐵的硫化物。由于管線采用TP321鋼（18-8奧氏體不銹鋼）制成，在氯離子環(huán)境中易發(fā)生點蝕和氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。此外，硫化氫環(huán)境也可引發(fā)其應(yīng)力腐蝕開裂。奧氏體不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂多發(fā)生在60℃以上，在120℃以上敏感性很高，有研究表明，當(dāng)溫度為120～200℃時，10 mg／L Cl－即可導(dǎo)致18-8型不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂［1-2］，失效管道操作溫度為150℃，為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的敏感溫度區(qū)間。此外裂紋面的EDS分析結(jié)果顯示，Cl－的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)0.98%，Cl－含量升高，應(yīng)力腐蝕開裂敏感性也會有所增加［3］。在該環(huán)境中，管道具有高的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂敏感性；18-8奧氏體不銹鋼在H2S環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂敏感溫度約為22℃，溫度升高開裂敏感性反而降低［4］，在150℃環(huán)境中，H2S引起的腐蝕開裂敏感性低。另一方面奧氏體組織對硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性也比較低，因此可以判斷，H2S在該處管道開裂失效過程中主要起“毒化”作用，對腐蝕開裂起主要作用的是Cl－。

管道腐蝕形貌觀察結(jié)果表明，管道無明顯腐蝕減薄，也無明顯塑性變形，內(nèi)表面存在麻點狀點蝕坑，裂紋多分叉呈現(xiàn)樹枝狀，裂紋擴(kuò)展以穿晶為主，這些特點也均符合氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的特征。因此，綜合考慮，可以判定管道失效為氯化物的應(yīng)力腐蝕開裂。

應(yīng)力腐蝕開裂除了敏感材料和敏感環(huán)境兩個條件之外，還需要具備一定的應(yīng)力條件。失效管道的應(yīng)力主要來源于工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力。焊縫及熱影響區(qū)硬度較高，相應(yīng)該區(qū)域的殘余應(yīng)力水平較高。殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力共同作用足以提供發(fā)生腐蝕開裂的應(yīng)力條件。此外，當(dāng)點蝕或裂紋產(chǎn)生，有效厚度的變化以及應(yīng)力集中都會提升局部的應(yīng)力水平，從而加速應(yīng)力腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。

3 結(jié)論與建議

（1）失效管段的化學(xué)成分符合SA－312 TP321要求。

（2）管道開裂為奧氏體不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

（3）應(yīng)嚴(yán)格控制物料中的氯化物的含量。

（4）加強焊接質(zhì)量管理，控制焊縫及熱影響區(qū)硬度≤200HB。