某化工裝置中S32750 管道的開裂原因

黃超鵬，徐文芳，李悅，宋文明，侍吉清

（1. 機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司，上海 201518；2. 上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

石油化工生產(chǎn)工藝流程長，許多裝置中的管線處于高溫高壓狀態(tài)，因?yàn)楹附尤毕?、密封破損、腐蝕、沖刷等原因造成工藝介質(zhì)在局部發(fā)生泄漏的情況時(shí)有發(fā)生，這直接影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)，也會(huì)造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等，但非計(jì)劃停車檢修常帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，在面對(duì)一些不是很嚴(yán)重的跑、冒、滴、漏問題時(shí)，帶壓堵漏成為一個(gè)低成本且行之有效的解決方案[1]。高壓注膠堵漏由于可以在不停產(chǎn)條件下帶壓、帶溫進(jìn)行堵漏操作，在企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，往往具有良好的效果。所謂高壓注膠堵漏就是在一定壓力下將密封劑注射到被卡具包圍的泄漏部位，密封劑在介質(zhì)溫度下迅速固化，形成新的密封層來阻止泄漏[2]。在以往的研究和實(shí)踐中，更多地關(guān)注于密封劑的種類、卡具的設(shè)計(jì)及操作工藝等方面[3-4]，而在筆者的工作中曾遇到注膠堵漏后發(fā)生的因堵漏操作而額外受力的非泄漏部件的開裂失效問題，為找出部件失效的原因，針對(duì)失效件進(jìn)行了一系列的檢驗(yàn)和系統(tǒng)的分析，并針對(duì)此類情況提出合理建議。

某公司使用的S32750 管道（DN 150）的支管（DN 50）焊縫上發(fā)現(xiàn)一個(gè)小的泄漏孔，后采用高壓注膠方法堵漏，為避免支管因強(qiáng)度問題而斷裂，卡具被固定在DN 150 的主管道上，堵漏后繼續(xù)正常運(yùn)行，6 個(gè)月后主管道于密封部位突然開裂。管道的操作溫度為170 ～ 180 ℃，操作壓力1.47 MPa，介質(zhì)主要為C6（苯和非芳烴）和微量的水，介質(zhì)中的腐蝕性介質(zhì)包含微量的有機(jī)酸（乙酸等）和氯化物（含量2 mg/kg）。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

失效管道堵漏時(shí)施加的卡具結(jié)構(gòu)如圖1a 所示，去除卡具后的宏觀形貌如圖1b 所示，可見卡具通過螺栓實(shí)現(xiàn)緊固，其內(nèi)部形成與管道平行的“T”型空間，空間內(nèi)充滿黑色的密封劑，去除卡具后管道表面被黑色的密封劑覆蓋。由圖1c 可見密封劑下主管道發(fā)生開裂，裂紋皆位于卡具夾持并和密封膠接觸的區(qū)域，其中兩條主裂紋呈環(huán)向，分別分布于支管左右兩側(cè)對(duì)稱位置，與卡具裝配圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩條主裂紋位置與卡具上左右兩列緊固螺栓的位置相對(duì)應(yīng)，表明裂紋的形成受到卡具作用力的影響。如圖2 所示，管道表面呈現(xiàn)“破碎”的外觀，裂紋呈樹枝形，沿管橫向或縱向擴(kuò)展，在主裂紋中部形成金屬剝落坑，主裂紋之間的管道側(cè)壁還可觀察到獨(dú)立的縱向裂紋（圖2c）。滲透檢測(cè)（PT）結(jié)果顯示支管表面除圖1b 所示的初始泄漏位置（支管和法蘭連接焊縫處）的孔型缺陷外未發(fā)現(xiàn)其他表面缺陷。

圖1 管段宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the pipe

圖2 裂紋宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the crack

1.2 金相檢驗(yàn)

如圖3 所示，主管道金相組織為鐵素體+奧氏體，測(cè)得鐵素體含量為51.7%，金相組織正常。沿壁厚方向以裂紋橫截面為檢驗(yàn)面制備金相試樣來觀察裂紋在金屬中的擴(kuò)展方式，如圖4 所示，裂紋呈樹枝形，由管道外壁向內(nèi)壁方向以穿晶方式擴(kuò)展，由圖4b 可見，裂紋主要在鐵素體相中擴(kuò)展。如圖4c 所示，在掃描電子顯微鏡（SEM）下可見拋光態(tài)的試樣裂紋內(nèi)部充滿腐蝕產(chǎn)物。

圖3 開裂管道的金相組織Fig.3 Metallographic structure of cracked pipe

1.3 斷口分析

將一條未貫穿管壁的縱向裂紋打開后對(duì)斷口表面進(jìn)行觀察，如圖5 所示，斷口表面可見裂紋擴(kuò)展的放射狀花樣，收斂處即為裂紋源區(qū)[5]，源區(qū)位于裂紋中部，沿?cái)U(kuò)展方向斷口表面由棕黃色變?yōu)榈G色，斷口平齊，無明顯塑性變形。

圖5 斷口宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of the fracture surface

將斷口超聲清洗后采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察表面微觀形貌，如圖6 所示，斷口表面可見“河流花樣”和“扇形花樣”，呈現(xiàn)出解理斷口[6]的特征。如圖7 所示，對(duì)主管道內(nèi)外壁的SEM 觀察結(jié)果顯示：管外壁腐蝕形成間隔的條紋狀腐蝕坑，在局部形成較淺的點(diǎn)狀腐蝕坑，結(jié)合雙相不銹鋼的組織構(gòu)成，說明管外壁發(fā)生了選擇性腐蝕[7]，兩相中的一相作為陽極被分解。主管內(nèi)壁表面較為均勻，未見明顯的點(diǎn)蝕或選擇性腐蝕，說明管道外表面具有比工況條件下更嚴(yán)苛的腐蝕環(huán)境。

圖6 解理斷裂微觀形貌Fig.6 Micromorphology of cleavage fracture

圖7 DN150 管道表面微觀形貌Fig.7 Surface morphology of DN150 pipeline

1.4 腐蝕產(chǎn)物分析

采用OXFORD X-Max 能譜儀分別對(duì)斷口表面黃色和綠色區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，結(jié)果如圖8所示，可見黃色腐蝕產(chǎn)物中Cl 元素含量高達(dá)8.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），更靠近裂紋尖端的綠色腐蝕產(chǎn)物中Cl 元素含量也高達(dá)6.9%。如圖9 所示，堵漏用的密封劑為黑色柱狀固體，EDS 分析結(jié)果表明其組分中不含Cl 元素。

圖8 斷口表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果Fig.8 EDS results of corrosion products on the fracture

圖9 密封劑能譜分析結(jié)果Fig.9 EDS results of the sealant

1.5 化學(xué)成分和力學(xué)性能

在開裂管段上取樣進(jìn)行化學(xué)成分和常溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試，管道材料的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果見表1，拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2，可見管道的化學(xué)成分符合ASTM A790 對(duì)UNS S32750 的技術(shù)要求。在裂紋附近取樣進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，結(jié)果表明管材平均硬度值為228 HBW，滿足ASTM A790 規(guī)定的UNS S32750 材料的最高硬度不高于300 HBW 的技術(shù)要 求。

表1 管材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of the pipe （mass fraction） %

表2 管材拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of tensile mechanical properties of the pipe

2 分析與討論

由化學(xué)成分、金相檢驗(yàn)和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可知，管道材料符合ASTM A790 的要求，管道不存在材質(zhì)缺陷。由裂紋的宏觀形貌、裂紋在金相試樣中的形態(tài)和斷口微觀形貌觀察結(jié)果可知，裂紋源區(qū)位于管外壁，裂紋擴(kuò)展形態(tài)呈分叉樹枝狀，在金屬中穿晶擴(kuò)展，裂紋內(nèi)充滿腐蝕產(chǎn)物，裂紋斷口呈現(xiàn)解理斷裂特征，以上現(xiàn)象表明該裂紋具有典型的應(yīng)力腐蝕開裂特點(diǎn)[8-9]。有研究表明，雙相鋼在發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂時(shí)，裂紋主要在鐵素體相中傳播，當(dāng)遇到奧氏體相時(shí)便受阻而繞過奧氏體相，這種現(xiàn)象稱為致鎖（Keying）效應(yīng)[10]，與本案例中觀察到的現(xiàn)象吻合。

由EDS 成分分析結(jié)果可知，斷口表面腐蝕產(chǎn)物中存在高含量的Cl 元素，Cl 元素的可能來源為堵漏用的膠體或者泄漏的物料，而對(duì)膠體EDS 分析結(jié)果表明其中不含Cl 元素，結(jié)合管子運(yùn)行介質(zhì)中存在微量的氯離子的情況，表明在被注膠封閉的管道表面存在氯離子濃縮過程。判斷為，支管焊縫處的缺陷穿透后，在泄漏部位采用注膠的方法堵漏，注膠沒有完全將泄漏的裂紋封閉，管道運(yùn)行過程中在內(nèi)壓的作用下物料仍持續(xù)在該部位發(fā)生微量的泄漏，常壓下物料的沸點(diǎn)（苯80.1 ℃）低于管道操作溫度（170 ～ 180 ℃），隨介質(zhì)泄漏出的氯化物在膠體和管壁之間的空間內(nèi)逐漸富集，并隨介質(zhì)蒸發(fā)而濃縮，成為導(dǎo)致管子發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的主要介質(zhì)因素。物料的蒸發(fā)和腐蝕性介質(zhì)的濃縮同時(shí)引起管外壁發(fā)生點(diǎn)蝕和選擇性腐蝕。

主裂紋與卡套上左右兩列緊固螺栓平行，并且在主裂紋之間還存在與管道平行的獨(dú)立的縱向裂紋，說明開裂與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。作為模具的卡套為實(shí)現(xiàn)密封，需要對(duì)其緊固螺栓施加較大的緊固力，模具和密封膠以及密封膠包覆的“倒T 型”管道形成一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)、裝配精度和運(yùn)行條件下管道震動(dòng)等原因，管道上不僅受到壓應(yīng)力作用，還受到彎矩作用，且應(yīng)力分布不均勻，這無疑增加了局部的拉應(yīng)力水平，從而增加了開裂敏感性。

發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的關(guān)鍵因素包括敏感的材料、有害相（如Cl-）含量、拉應(yīng)力水平、溫度和pH 值等，在正常工藝狀態(tài)下，管道的內(nèi)外表面均不能同時(shí)具備以上因素而發(fā)生開裂。雙相不銹鋼對(duì)氯化物應(yīng)力腐蝕開裂具有一定敏感性，失效管道的工作溫度（170 ～ 180 ℃）也遠(yuǎn)超通常認(rèn)為的發(fā)生該類開裂的溫度下限（60 ℃）[11]，有研究表明[12]在含3%NaCl的酸性溶液中SAF 2507（相當(dāng)于S32750）雙相不銹鋼的臨界點(diǎn)蝕溫度小于100 ℃，且隨pH 值降低而降低，但SAF 2507 在中性氯化物環(huán)境中即使Cl 離子含量高達(dá)10%，溫度達(dá)250 ℃也不會(huì)發(fā)生SCC，說明管道表面介質(zhì)的pH 值和應(yīng)力水平也是該S32750管道發(fā)生SCC 的重要影響因素，如上文所述物料蒸發(fā)導(dǎo)致的有害相濃縮和卡套作用導(dǎo)致的局部拉應(yīng)力水平提高都顯著的增加了開裂的敏感性，在以上因素的綜合作用下UNS S32750 管道發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開 裂。

在筆者的工作中還遇到過類似的因高壓注膠堵漏而誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂的失效案例，基本情況為：某石油催化裂化裝置中某管道閥門（常開）為雙側(cè)法蘭連接，其中一側(cè)法蘭在運(yùn)行過程中出現(xiàn)滲漏，對(duì)該法蘭進(jìn)行打卡注膠堵漏，隨后幾日再次發(fā)現(xiàn)有滲漏情況，遂再次進(jìn)行注膠緊固，二周后發(fā)現(xiàn)該法蘭四根材質(zhì)為35CrMo 的螺柱斷裂。失效分析結(jié)果表明螺柱的失效機(jī)理為硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。根據(jù)操作工況，閥門工作溫度50 ℃，介質(zhì)（富氣）中含有硫化氫，介質(zhì)泄漏后在螺柱表面冷凝而形成腐蝕環(huán)境，物料泄漏后對(duì)螺柱進(jìn)行的多次緊固操作增加了其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。

通過以上案例可以發(fā)現(xiàn)，帶壓堵漏操作顯著增加了被緊固部件受到的拉伸應(yīng)力水平，對(duì)于能和泄漏的介質(zhì)接觸的被緊固部件，當(dāng)滲漏的介質(zhì)中存在能引起該部件材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的物質(zhì)時(shí)，該部件可能面臨開裂失效風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論與建議

S32750 管道的失效機(jī)理為氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。由于帶壓堵漏后的介質(zhì)仍存在一定量滲漏，隨著介質(zhì)揮發(fā)其中的腐蝕性物質(zhì)（Cl-）在卡箍結(jié)構(gòu)內(nèi)的管道表面富集，固定在管道上的卡具增加了局部的拉應(yīng)力水平，且在運(yùn)行狀態(tài)下管壁溫度較高，以上因素的共同作用導(dǎo)致對(duì)氯化物應(yīng)力腐蝕開裂具有一定敏感性的雙相不銹鋼管道發(fā)生開裂失效。

密封劑帶壓堵漏作為臨時(shí)搶修措施，不宜長期使用，對(duì)于存在泄漏的壓力管道，實(shí)施帶壓堵漏后，應(yīng)盡快擇機(jī)停工檢修，徹底消除缺陷。在相同介質(zhì)下工作的介質(zhì)不流動(dòng)、易發(fā)生凝液的管段，金屬腐蝕情況應(yīng)給予更多關(guān)注。