液態(tài)烴管道的開裂原因分析

段智文 孫建宇

摘 要：為查明某煉油廠液態(tài)烴管道開裂的原因，對開裂部位進行了一系列理化檢驗分析。結果表明：液態(tài)烴管道與支座連接部位的斷裂機理以硫化物應力腐蝕開裂為主，Cl-和帶狀組織對開裂起促進作用。

關鍵詞：硫化物應力腐蝕開裂;氫致開裂;硫化物夾雜

液態(tài)烴泛指在常溫常壓下為液態(tài)的烴類，煉油行業(yè)有時專指液化石油氣。常溫、常壓下為氣態(tài)只有在壓力和降溫條件下才能變成液態(tài)，在中產(chǎn)過程中常稱為液態(tài)烴，其中常含有腐蝕性介質對煉化設備產(chǎn)生腐蝕。某煉油廠重催裝置的液態(tài)烴管道使用8年后，在管道與支座連接部位發(fā)生斷裂，直接影響重催裝置的安全生產(chǎn)運行。本文通過宏觀檢查、硬度測定、光譜分析、金相分析、斷口掃描電鏡及能譜分析，探討了管道開裂的原因，同時為避免該類失效提出了一定的建議。

1 液態(tài)烴管道概況

管道材質為20鋼，規(guī)格為Φ57×3.5mm。操作壓力為1.3MPa，操作溫度為20～50℃，工作介質為液態(tài)烴（碳三、碳四、碳五;其中S含量為8509ppm）。

2 檢查分析

2.1 宏觀檢查

圖1為液態(tài)烴管道開裂部位的宏觀形貌，可見開裂管段內外表面均覆蓋著褐色腐蝕產(chǎn)物如圖1（a，b）所示，管段與支座焊接連接處存在一處斷裂，整體斷面與軸向約呈45度。斷口呈不規(guī)則形狀，局部突出，無金屬光澤，無明顯塑性變形如圖1b所示。根據(jù)斷口形貌特點，可將其分為三個區(qū)域，原始開裂區(qū)、裂紋擴展區(qū)及瞬斷區(qū)，原始開裂區(qū)表面較平整，為脆性斷裂的特點。在三個典型區(qū)域分別取1#、2#、3#樣品作為掃描電鏡分析樣品，2#樣品同時進行金相分析，如圖1b所示。

2.2 硬度測定

采用TH160里氏硬度測定儀對開裂管段進行了里氏硬度測定，硬度測定結果由表1所示，硬度單位HL。由表1可見，開裂管段外表面硬度值為370～416HL，根據(jù)GB/T17394-1998《金屬里氏硬度實驗方法》，將里氏硬度轉化為布氏硬度滿足GB/T699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》對20鋼的要求。

2.3 光譜分析

采用直讀光譜儀對液態(tài)烴管道的化學成分進行了光譜分析，結果如表2所示。由表2可見，管道的化學成分符合GB/T699-2015《優(yōu)質碳素結構鋼》對20鋼的要求。

2.4 金相分析

2#樣品的徑向截面金相組織如圖2所示，可見管道金相組織為珠光體+鐵素體，且局部存在珠光體的帶狀組織。

2.5 斷口掃描電鏡與能譜分析

2.5.1 斷口掃描電鏡分析

采用日本電子JSM-6510掃描電鏡對1#樣品進行微觀形貌分析，如圖3所示，可見斷口表面呈現(xiàn)解理開裂形貌，為脆性開裂的典型特點。2#樣品的掃描電鏡形貌如圖4所示，由圖4（a，b）可見管道與支座連接處熱影響區(qū)出現(xiàn)較多球狀夾雜;由圖4c可見，近內壁區(qū)存在裂紋，裂紋平直且由內壁向外壁擴展;近內壁區(qū)存在大量不連續(xù)的氫致孔洞，如圖4d所示。

2.5.2 能譜分析

采用英國牛津的能譜儀X-Max20對1#樣品表面腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，分析結果如圖5和表3所示，可見S、Cl含量很高，這兩類腐蝕性元素為應力腐蝕開裂提供了介質條件。對3#樣品即瞬斷區(qū)樣品進行能譜分析，結果如表4所示，可見管道材質中存在較多的硫化物夾雜。

3 討論

根據(jù)光譜分析及瞬斷區(qū)能譜分析結果可見管道材質中存在大量的硫化物夾雜，同時，由金相分析可知管道組織中存在珠光體的偏析帶，周琦等[1]提出即使鋼組織中沒有MnS夾雜物，只要存在一定量的帶狀組織，就會導致氫致開裂。開裂部位處于管道與支座的焊接連接處，此處受焊接過程的影響，存在大量殘余應力。此外管道內部存在工作應力，兩類應力共同為應力腐蝕提供了應力條件。管道在運行過程中，支座與管道的焊接部位內壁缺陷處為裂紋源，在介質中的硫化物及應力的作用下發(fā)生硫化物應力腐蝕開裂，裂紋不斷擴展。介質中的Cl-對20鋼的應力腐蝕起促進作用[2]，同時材質中的帶狀組織引起的氫致開裂對開裂也起一定的促進作用，最終導致管道開裂。

4 結論

①材質金相組織局部存在帶狀組織;

②管道的開裂以硫化物應力腐蝕開裂機理為主。

5 建議

優(yōu)化安裝工藝，焊后進行消除應力熱處理;嚴格控制生產(chǎn)工藝減少介質中的硫含量;做好管道定期檢驗工作。

參考文獻：

[1]周琦，季根順，張建斌等.管道鋼中的硫化夾雜物與氫致開裂[J].材料工程，2002（9）：37-39.

[2]蔡志安，李春福.20鋼在不同介質中的硫化物應力腐蝕開裂敏感性[J].機械工程材料，2014，38（01）：64-67.

作者簡介：

段智文（1987- ），男，籍貫：甘肅省蘭州市，本科，工程師，研究方向：無損檢測技術。

孫建宇（1994- ），男，籍貫：甘肅省蘭州市，本科，助理工程師，研究方向：無損檢測技術。