埋地不銹鋼管道氯離子應(yīng)力腐蝕開裂分析與防治

周建國 曹福想 郭少宏 肖 康

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院佛山檢測院 佛山 528000）

奧氏體不銹鋼強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕性強(qiáng),廣泛應(yīng)用在壓力管道領(lǐng)域。因奧氏體不銹鋼管耐腐蝕,內(nèi)表面光潔,不易產(chǎn)生氧化皮等雜質(zhì),對下游重要設(shè)備的安全運(yùn)行提供了重要保障,故輸送天然氣至燃?xì)廨啓C(jī)的管道,多采用奧氏體不銹鋼管。以埋地方式敷設(shè)的奧氏體不銹鋼管道,防腐層質(zhì)量較差的部位,在運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生破損點(diǎn)[1],敷設(shè)環(huán)境中的氯離子將與管道漏鐵表面直接接觸,此時(shí),拘束拉應(yīng)力較大的部位容易產(chǎn)生氯離子應(yīng)力腐蝕[2]。氯離子應(yīng)力腐蝕持續(xù)發(fā)展,將造成管體開裂,引發(fā)天然氣泄漏事故,天然氣聚集甚至可能引發(fā)爆炸事故,嚴(yán)重危及建筑物和人的安全,存在較大的運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

本文以某電廠的埋地奧氏體不銹鋼燃?xì)夤艿缽濐^外表面裂紋為研究對象,采用無損檢測、理化檢驗(yàn)等方法,獲取彎頭裂紋宏觀及微觀形態(tài),分析裂紋形成機(jī)理；同時(shí)通過敷設(shè)環(huán)境分析、管道運(yùn)行工況分析,驗(yàn)證分析結(jié)果的可靠性。并制定相應(yīng)措施,預(yù)防運(yùn)行中的埋地奧氏體不銹鋼管道類似安全隱患的產(chǎn)生。

1 概述

某發(fā)電廠在用3套燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組,燃用的天然氣由燃?xì)庥?jì)量調(diào)壓站輸送至廠內(nèi)增壓站增壓,增壓后天然氣壓力和溫度由3 MPa、0～20 ℃升至5 MPa、60～70 ℃,經(jīng)廠內(nèi)埋地不銹鋼管道輸送至燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組發(fā)電,燃燒尾氣進(jìn)入余熱鍋爐換熱后排至大氣。

廠內(nèi)輸送燃?xì)獾穆竦毓艿肋x用奧氏體不銹鋼管,材質(zhì)為06Cr17Ni12Mo2,規(guī)格為D114 mm×6 mm,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》；管件選用無縫管件,材質(zhì)為06Cr17Ni12Mo2,滿足GB/T 12459—2017《鋼制對焊管件 類型與參數(shù)》和GB/T 13401—2017《鋼制對焊管件 技術(shù)規(guī)范》的要求。管道外表面采用雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末加強(qiáng)級防腐,覆以30 mm的聚氨酯泡沫[3]保溫層,保溫層外包覆D180 mm×3 mm高密度聚乙烯防護(hù)層。2018年12月,正式投入使用。

2022年1月,依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對該管道開展首次定期檢驗(yàn)工作。采用皮爾遜法對埋地管道進(jìn)行防腐層不開挖檢測,在增壓站出口順氣流方向第5個(gè)彎頭處檢測到1處疑似破損信號P1,信號值大于1 000 mV；在距離該彎頭72 m,順氣流方向的下游處檢測到1處信號值為215～310 mV的疑似破損信號P2。P1處屬于SY/T 0087.1—2018《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 第1部分：埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評價(jià)》規(guī)定需要立即處理的一類疑似破損點(diǎn)。對信號指示部位進(jìn)行開挖檢測（見圖1）,結(jié)果顯示為最外側(cè)管道彎頭外表面防腐層存在2處大面積破損區(qū)域。

圖1 P1處開挖檢驗(yàn)

2 無損檢測

對防腐層破損區(qū)域進(jìn)行滲透檢測,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在密集表面裂紋（見圖2）。為確認(rèn)裂紋賦存區(qū)域,分析裂紋形狀,清除彎頭表面防腐層,對彎頭整體及兩端焊接接頭進(jìn)行滲透檢測擴(kuò)探（見圖3）。結(jié)果顯示,裂紋主要分布在彎頭外弧面,主體沿徑向擴(kuò)展,在順氣流方向呈梯度分布,外弧面區(qū)域最為密集,往兩側(cè)逐漸稀疏；裂紋呈樹枝狀,有分叉,單條裂紋長度最大約為12.4 mm,位于彎頭外弧面區(qū)域；彎頭中性面、內(nèi)弧面及兩端焊接接頭區(qū)域未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖2 彎頭密集裂紋

圖3 彎頭表面裂紋

3 理化檢驗(yàn)

為分析裂紋形成機(jī)理,對該彎頭按圖4所示劃分12個(gè)區(qū)域,分別進(jìn)行化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)及硬度檢測等檢驗(yàn)檢測項(xiàng)目分析。

圖4 彎頭劃分區(qū)域示意圖

3.1 化學(xué)成分分析

采用全定量光譜分析儀抽檢圖4所示彎頭各區(qū)域金屬化學(xué)成分,獲取彎頭表面金屬微量元素組分,見表1。由表1知,開挖彎頭中性面、外弧面、內(nèi)弧面各區(qū)域金屬材質(zhì)均為06Cr17Ni12Mo2,微量元素含量滿足GB/T 14976—2012的要求,與設(shè)計(jì)文件一致,未發(fā)現(xiàn)材料代用；A1～A4、B1～B4、C1～C4等12個(gè)區(qū)域各微量元素含量比較均衡,未發(fā)現(xiàn)明顯成分偏析現(xiàn)象。

表1 彎頭金屬主要微量元素含量 %

3.2 金相檢驗(yàn)

對A1～A4、B1～B4、C1～C4等12個(gè)區(qū)域外表面進(jìn)行金相檢驗(yàn)；在A2區(qū)域附近沿周向割取40 mm×60 mm樣本,對A2處管壁橫截面進(jìn)行金相檢驗(yàn)。在200倍視場下,檢驗(yàn)區(qū)域金屬顯微組織如圖5和圖6所示。分析區(qū)域的金相組織均為奧氏體[4]+少量碳化物,晶界中存在少量細(xì)化碳化物,帶有孿生晶,晶粒度評級6級,符合產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 外表面金相組織1（200×）

圖6 外表面金相組織2（200×）

在 A1、A2、A4、B1、B2、B4、C1、C2、C4 外表面及A2橫截面的視場中均發(fā)現(xiàn)微觀裂紋,A3、B3和C3分析面未觀察到裂紋,抽檢區(qū)域裂紋全部分布在彎頭外弧面及中性面。外表面微裂紋大多呈放射狀、樹枝狀分布,末端尖細(xì),從晶粒內(nèi)部穿過,部分裂紋在末端沿晶間擴(kuò)展,分叉少且短小。A2橫截面金相組織及微裂紋形態(tài)與外表面裂紋相似,橫截面裂紋見圖7,裂紋最大擴(kuò)展深度約3 mm,約為管壁厚度的1/2。

圖7 A2橫截面裂紋

分析各視場中的裂紋形態(tài)可知,開挖彎頭裂紋主要是從外表面晶粒內(nèi)部萌生,少數(shù)裂紋沿晶界萌生,而后不斷向四周及深部擴(kuò)展,裂紋主體呈穿晶裂紋形態(tài),部分裂紋在末端表現(xiàn)出沿晶特征,為典型氯離子應(yīng)力腐蝕引起的開裂。

3.3 硬度測定

采用便攜式里氏硬度計(jì)測定圖4各區(qū)域金屬硬度,換算成布氏硬度[5],獲取彎頭表面硬度值,見表2。由表2知,彎頭不同區(qū)域硬度值位于155～185 HB區(qū)間,小于201 HB,滿足GB/T 13401—2017的要求。

表2 彎頭布氏硬度值 HB

彎頭外弧面和內(nèi)弧面的硬度值位于175～185 HB區(qū)間,中性面硬度值位于155～157 HB區(qū)間,在同一截面上,外弧面和內(nèi)弧面的硬度值相近,且均高于中性面的硬度值。彎頭成形過程中由于加工硬化等因素影響,外弧面和內(nèi)弧面相對中性面硬度升高,強(qiáng)度增大,脆性增強(qiáng),塑性降低,由于殘余應(yīng)力的影響,內(nèi)、外弧面在腐蝕環(huán)境中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的傾向性增強(qiáng)。

4 敷設(shè)環(huán)境分析

在開挖坑處檢測開挖彎頭周邊的土壤電阻率、管道自然腐蝕電位、氧化還原電位、土壤氯離子含量等參數(shù)（見表3）,結(jié)合GB/T 21447—2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》的要求,確定土壤腐蝕性等級。根據(jù)表3,采用土壤電阻率[6]指標(biāo)評判,土壤腐蝕性等級為“強(qiáng)”,采用氧化還原電位指標(biāo)評判,土壤腐蝕性等級為“較強(qiáng)”,取二者之大者,彎頭處土壤腐蝕性等級為“強(qiáng)”。

表3 敷設(shè)環(huán)境腐蝕性檢測指標(biāo)

查閱資料可知,該段埋地管線未設(shè)置陰極保護(hù)設(shè)施。由表3知,管道自然腐蝕電位為-623 mV cse,位于強(qiáng)腐蝕性環(huán)境,處于不受保護(hù)的狀態(tài)。現(xiàn)場取彎頭附近地下滲水,經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分析測得滲水中氯離子濃度為0.158 6‰；對該彎頭保溫層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析,保溫層的氯離子濃度為0.231 1‰。地下滲水和保溫層的氯離子濃度遠(yuǎn)大于奧氏體不銹鋼對氯離子敏感的上限濃度0.025‰,若奧氏體不銹鋼管道防腐層出現(xiàn)破損,在破損露鐵處極易發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。

5 原因分析及防治措施

5.1 裂紋原因分析

查閱資料可知,開挖彎頭兩側(cè)直管段采用頂管敷設(shè),直管段長分別約110 m、95 m,在管道相交處開挖以彎頭連接,埋深約2 m,彎頭及兩側(cè)補(bǔ)口的防腐層及保溫層由現(xiàn)場制造。該電廠3套燃?xì)廨啓C(jī)自2019年驗(yàn)收通過后,受制于附近工業(yè)區(qū)用蒸汽需求量變化,在投用后啟停較頻繁。

機(jī)組運(yùn)行過程中,增壓后的天然氣經(jīng)該管道輸送至燃?xì)廨啓C(jī),管壁溫度隨燃?xì)鉁囟戎饾u上升至60～70 ℃。管道受熱膨脹,在彎頭處產(chǎn)生額外的拘束應(yīng)力,發(fā)生形變,該部分應(yīng)力在外弧面表現(xiàn)為拉應(yīng)力,在內(nèi)弧面表現(xiàn)為壓應(yīng)力。受機(jī)組頻繁啟停的影響,彎頭外防腐層也持續(xù)性經(jīng)受拉伸與壓縮應(yīng)力的作用,由于防腐層材料與不銹鋼管體熱膨脹系數(shù)的不同,加之施工不規(guī)范等因素,管道外防腐層不可避免地會出現(xiàn)破損露鐵。

在彎頭補(bǔ)口附近,管道聚乙烯防護(hù)層搭接處,嚴(yán)密性質(zhì)量較差。敷設(shè)環(huán)境中高氯離子含量的地下滲水通過聚乙烯防護(hù)層的薄弱部位滲入聚氨酯泡沫保溫層,與06Cr17Ni12Mo2不銹鋼外防腐層接觸。機(jī)組運(yùn)行時(shí),管道周邊溫度升高,保溫層內(nèi)溶液蒸發(fā)濃縮；停機(jī)時(shí),地下水又滲入保溫層,如此循環(huán)往復(fù),保溫層內(nèi)的氯離子含量越來越高。

綜上分析可知,開挖處彎頭外防腐層發(fā)生破損后,露鐵區(qū)域與經(jīng)過蒸發(fā)濃縮的高濃度氯離子溶液接觸,在06Cr17Ni12Mo2管體露鐵表面發(fā)生應(yīng)力腐蝕；腐蝕在管道制造、安裝殘余應(yīng)力及運(yùn)行的拘束應(yīng)力共同作用下發(fā)生由外向內(nèi)的開裂；彎頭周邊的強(qiáng)腐蝕性土壤環(huán)境、機(jī)組運(yùn)行時(shí)升高的管體表面溫度,加速了腐蝕開裂的進(jìn)程；根據(jù)金相檢驗(yàn)視場內(nèi)呈樹枝狀分叉的穿晶或沿晶裂紋可以判斷,該彎頭裂紋為典型的奧氏體不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。

5.2 防治措施

●5.2.1 現(xiàn)場應(yīng)對措施

為了全面排除該埋地不銹鋼管道類似隱患,對疑似破損點(diǎn)P2也進(jìn)行了開挖檢測。結(jié)果表明,此處防腐層存在1處較小的破損點(diǎn),經(jīng)滲透檢測,未發(fā)現(xiàn)管道外表面存有裂紋現(xiàn)像；金相照片顯示無微觀裂紋。結(jié)果表明P2處的管道未發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕。

針對P1處已產(chǎn)生氯離子應(yīng)力腐蝕開裂的彎頭,要求使用單位委托有資質(zhì)的單位選用與設(shè)計(jì)材質(zhì)一致的彎頭,對其進(jìn)行更換處理。并委托有資質(zhì)的單位對P1、P2處管道重新進(jìn)行防腐處理,且經(jīng)電火花檢測合格；對外包覆的高密度聚乙烯防護(hù)層接口進(jìn)行補(bǔ)口處理,防止地下滲水進(jìn)入保溫層。管道回填后,經(jīng)皮爾遜法檢測,無疑似破損信號。

●5.2.2 日常運(yùn)行預(yù)防措施

預(yù)防奧氏體不銹鋼發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕的主要措施是避免不銹鋼與氯離子直接接觸。奧氏體不銹鋼埋地管道運(yùn)行中,應(yīng)避免頻繁啟停,減少拘束應(yīng)力集中部位反復(fù)經(jīng)受拉伸與壓縮應(yīng)力的作用次數(shù),降低管道外防腐層產(chǎn)生破損的概率。使用單位應(yīng)制定巡檢制度,并委托有資質(zhì)的單位定期對其進(jìn)行防腐層不開挖檢測,如有疑似破損信號點(diǎn),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行開挖檢測,排除安全隱患。

6 結(jié)論

以某電廠埋地奧氏體不銹鋼燃?xì)夤艿?0°彎頭外表面裂紋為研究對象,采用無損檢測、理化檢驗(yàn)、敷設(shè)環(huán)境分析等方法,分析其裂紋形成機(jī)理,結(jié)果表明：

1)該埋地不銹鋼彎頭裂紋僅存在于中性面和外弧面,內(nèi)弧面無裂紋。而中性面、外弧面和內(nèi)弧面各區(qū)域的化學(xué)成分比較均衡,未發(fā)現(xiàn)明顯成分偏析現(xiàn)象,即內(nèi)弧面與中性面、外弧面的各種化學(xué)成分含量基本一致,故化學(xué)成分不是該彎頭產(chǎn)生裂紋的誘因；

2)該彎頭外弧面和內(nèi)弧面的硬度值相近,且比中性面略高。比較裂紋僅存在于硬度值相近的外弧面、硬度值相近的內(nèi)弧面未產(chǎn)生裂紋這一現(xiàn)象可知,彎頭的硬度性能也不是該彎頭產(chǎn)生裂紋的因素；

3)該埋地不銹鋼彎頭產(chǎn)生裂紋的主導(dǎo)因素是：該彎頭外聚乙烯防護(hù)層搭接處的嚴(yán)密效果不良,導(dǎo)致敷設(shè)環(huán)境含氯離子的溶液進(jìn)入保溫層,溶液在管道使用中反復(fù)蒸發(fā)濃縮,導(dǎo)致保溫層形成高氯離子環(huán)境,而防腐層在管道運(yùn)行中產(chǎn)生破損點(diǎn),使得不銹鋼管體直接裸露在高氯離子環(huán)境,發(fā)生了不銹鋼管體與高濃度氯離子溶液直接接觸現(xiàn)象,彎頭在高拘束拉應(yīng)力和60～70 ℃的環(huán)境相互作用下,加速發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕,造成了該埋地不銹鋼彎頭氯離子應(yīng)力腐蝕開裂,產(chǎn)生了裂紋。