乙烯管道彎頭腐蝕原因分析及應(yīng)對措施

翁華章

（石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站上海監(jiān)督站，上海 200540）

某石化廠乙烯管道于2007 年9 月建設(shè)完成，2008 年10 月份初次投用。至2013 年5 月定檢時，發(fā)現(xiàn)乙烯管道局部位置腐蝕減薄，減薄管段位于2 個管廊之間的水平管段上，如圖1 所示。

圖1 兩個管廊之間的乙烯水平管Fig.1 Vinyl horizontal pipe between two pipe corridors

該乙烯管線的管線號為：300-P-0501007-A21L19-R，材質(zhì)：TP304，具體參數(shù)見表1。

表1 乙烯管線工藝參數(shù)Tab.1 Vinyl pipeline process parameters

1 事情經(jīng)過

2013 年5 月份裝置大修，乙烯管道定期檢驗過程中，對部分焊縫進(jìn)行RT 抽檢，相關(guān)圖片如圖1～5所示。發(fā)現(xiàn)有的焊縫RT 底片上黑度異常，異常焊縫均位于兩個管廊之間，典型RT 缺陷底片見圖2，根據(jù)NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 射線檢測》，這種黑度異常一般都是管子壁厚減薄的特征，隨后對部分異常部位進(jìn)行測厚，發(fā)現(xiàn)確實有壁厚減薄現(xiàn)象。為判定實際情況，建設(shè)單位選取了位置較好的管廊下彎頭切割取樣（圖3），割下后彎頭上發(fā)現(xiàn)有腐蝕痕跡（圖4）并伴有腐蝕坑（圖5）。

圖2 黑度異常的RT 底片F(xiàn)ig.2 RT negatives with abnormal blackness

圖3 管廊下彎頭取樣管段Fig.3 Pipe sampling section at the lower elbow of the corridor

圖4 彎頭母材上的腐蝕痕跡Fig.4 Corrosion marks on the base material of the elbow

圖5 彎頭焊縫邊緣母材處的腐蝕坑（孔洞）Fig.5 Corrosion pits（holes）at the base material at the edge of the elbow weld

建設(shè)單位立即組織相關(guān)單位進(jìn)行分析討論，該管道從2008 年10 月投運至2013 年5 月停運檢修，期間幾乎一直處于運行狀態(tài)。本次停役對該管道進(jìn)行定期檢驗，發(fā)現(xiàn)部分焊縫射線底片黑度異常，取樣的門型管廊下彎頭處點腐蝕尤其嚴(yán)重，最大減薄量達(dá)到2.0 mm（彎頭壁厚5 mm，最大減薄量達(dá)到40%），初步判斷為氯離子沉淀腐蝕。但乙烯介質(zhì)不含氯離子，氯離子是如何進(jìn)入乙烯管道系統(tǒng)的，各方?jīng)]有結(jié)論。

會議要求材料部門緊急采購TP304 材料，設(shè)備部門查閱安裝資料，了解母材、焊接工藝、無損檢測等情況，并對切割下的腐蝕管段委托進(jìn)行失效分析[1]，本文就此展開。

2 取樣管段化學(xué)成分

根據(jù)SH/T 3523—2009《石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規(guī)程》規(guī)范附表A.2 中TP304材質(zhì)鋼管標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分，取直管、焊縫、彎頭母材上6 個點進(jìn)行化學(xué)成分分析比對，結(jié)果如表2，直管、焊縫、彎頭母材化學(xué)成分均符合要求。

表2 母材化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of base material

3 缺陷宏觀形貌和腐蝕產(chǎn)物能譜分析

3.1 缺陷宏觀形貌

取彎頭上二處腐蝕孔洞坑清洗剖開，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，腐蝕缺陷位于母材，缺陷沿既與表層平行發(fā)展，又向壁厚方向擴(kuò)展。

圖6 取樣區(qū)點蝕坑剖面形貌Fig.6 Profile of pitting pits in the sampling area

根據(jù)ASTM G46《麻點腐蝕的檢驗和評定》及GB/T 18590—2001《金屬和合金的腐蝕 點蝕評定方法》第3.1.4.1 條中：“點蝕坑的不同橫截面形式，見圖7 所示”。取樣的腐蝕坑宏觀形貌符合點腐蝕坑截面特征，為點腐蝕坑的常見失效型式，這些形式與腐蝕電位、介質(zhì)、金屬組織結(jié)構(gòu)、溫度等有關(guān)，對奧氏體不銹鋼來說，與Cl-介質(zhì)密切相關(guān)。

圖7 GB/T 18590 規(guī)范中點腐蝕坑常見形貌Fig.7 Common shape of pitting pits in GB/T 18590 specification

3.2 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

根據(jù)GB/T 18590—2001《金屬和合金的腐蝕 點蝕評定方法》第3.1.1 條：“腐蝕產(chǎn)物的成分對確定腐蝕原因是有價值的”，對彎頭腐蝕坑處腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜（EDS）分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物中有Cl-和S-，結(jié)果如表3 所示。

表3 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果Tab.3 Results of corrosion product energy spectrum analysis

從表3 可看出，腐蝕坑處腐蝕產(chǎn)物中Cl-質(zhì)量達(dá)到1.90%，在所有成分中占比第六，氯離子在坑底呈高度濃縮狀態(tài)，這是TP304 不銹鋼產(chǎn)生點蝕及坑底應(yīng)力腐蝕開裂的直接原因。硫離子達(dá)到0.54%，遠(yuǎn)高于TP304 母材規(guī)定值（≤0.03%），硫離子的存在加速了點腐蝕的進(jìn)程。

綜合腐蝕坑的宏觀形貌和腐蝕產(chǎn)物成分分析，取樣彎頭缺陷就是不銹鋼氯離子腐蝕，且腐蝕速率較快，壁厚減薄嚴(yán)重[2]。

4 金相組織

為使分析更具代表性，將取樣管段分母材、焊縫邊緣腐蝕坑、母材腐蝕坑分別取樣進(jìn)行金相組織分析，下面分別敘述。

4.1 母材金相組織

圖8 為彎頭母材的金相分析試樣取樣部位示意 圖。

圖8 彎頭母材金相分析試樣取樣示意圖Fig.8 Schematic diagram of the sample taken for metallographic analysis of the base material of the elbow

彎頭母材內(nèi)外表面放大200 倍后的金相組織見圖9，結(jié)果表明母材經(jīng)過固溶處理，金相組織穩(wěn)定。

圖9 母材內(nèi)外表面金相組織Fig.9 Metallographic organization of the inner and outer surfaces of the base material

4.2 焊縫邊緣腐蝕坑金相組織

圖10 為焊縫邊緣腐蝕坑取樣圖。圖11 為焊縫邊緣點腐蝕處的金相組織。

圖10 焊縫邊緣腐蝕坑取樣圖Fig.10 Sampling of corrosion pits at weld edge

圖11 焊縫邊緣點蝕坑剖面金相形貌Fig.11 Metallographic profile of pitting pits at weld edges

從圖11 可以看出，點腐蝕向壁厚方向發(fā)展。腐蝕坑側(cè)面有微裂紋，是穿晶擴(kuò)展的應(yīng)力腐蝕開裂；在點蝕坑底部還有沿晶的微裂紋，這主要是由于點蝕坑底部的應(yīng)力集中以及焊縫的殘余應(yīng)力作用導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂。由于焊縫處的敏化效應(yīng)（晶界有碳化物析出）而使裂紋呈沿晶擴(kuò)展。

4.3 母材區(qū)腐蝕坑金相組織

圖12 為母材區(qū)點蝕坑金相試樣取樣示意圖。圖中所示的A 面為沿管子軸向的面，觀察其金相組織如圖13；B 面為沿管子環(huán)向方向，觀察其金相組織如圖14。

圖12 母材腐蝕坑金相取樣示意圖Fig.12 Schematic diagram of metallographic sampling of corrosion pits in base material

圖13 腐蝕坑軸向金相組織圖Fig.13 Axial metallographic view of corrosion pits

圖14 腐蝕坑環(huán)向金相Fig.14 Circumferential metallography of corrosion pits

圖13 為點蝕坑軸向金相圖，可以看到點蝕坑底部為沿晶腐蝕。

圖14 為點蝕坑環(huán)向金相圖，點蝕坑底部有穿晶的微裂紋，是應(yīng)力腐蝕裂紋。從金相圖可以看出軸向和環(huán)向的金相有所不同，軸向為晶間腐蝕，而環(huán)向為穿晶的微裂紋。

5 硬度測試

根據(jù)GB/T 3280—2015《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》表21 中“經(jīng)固溶處理的TP304 硬度不大于210 HV”的要求，對焊縫和彎頭母材各取8 個點進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如表4，硬度符合要求。

表4 硬度測試結(jié)果Tab.4 Results of hardness tests

6 失效原因分析

（1）根據(jù)乙烯管線缺陷位置均位于母材，且對焊縫的硬度、化學(xué)成分的檢測都合格，所以排除焊接工藝、焊接質(zhì)量方面原因。

（2）根據(jù)乙烯管道彎頭的化學(xué)成分、硬度、各位置金相組織、腐蝕坑產(chǎn)物成分分析，彎頭制造質(zhì)量沒有發(fā)現(xiàn)問題，乙烯管道彎頭缺陷就是管內(nèi)氯離子點腐蝕，硫離子的存在加速氯離子腐蝕，點腐蝕逐步擴(kuò)展成縱向/橫向的線腐蝕[3]。

（3）查閱安裝資料，乙烯管線在2007 年9 月份，采用建設(shè)單位提供的純水陸續(xù)進(jìn)行了分段試壓（未查到水質(zhì)報告），試壓合格放水后施焊黃金口，黃金口在兩個管廊中間位置，距兩側(cè)管廊各200 米左右，因當(dāng)時其他輔助系統(tǒng)（氮氣、空氣系統(tǒng)等）未完，不具備吹掃條件，黃金口檢測合格后一直等到2008 年9 月底才進(jìn)行管道氣密及整系統(tǒng)吹掃，至2008 年10月20 號左右進(jìn)物料打通流程。

乙烯管線在管廊區(qū)全是直管，中間沒有閥門和排放口，水壓試驗合格放水后，管廊間水平段不可避免存在積水，在空置的一年中，剩水中殘余的Cl-和S-在低位局部濃縮、導(dǎo)致TP304 不銹鋼的點腐蝕。所以管道腐蝕缺陷集中在兩個管廊間水平段低位區(qū)域，且因為管廊下彎頭處絕對標(biāo)高最低，該處腐蝕更嚴(yán) 重。

（4）根據(jù)取樣管段腐蝕痕跡（圖15 和圖16）繼續(xù)分析：

圖15 管道內(nèi)壁銹跡帶Fig.15 Rust bands on the inner wall of the pipe

圖16 管內(nèi)壁腐蝕坑形貌Fig.16 Shape of corrosion pits on the inner wall of the tube

圖15 中，管線的上部為一條分布很明顯的銹跡帶，這是因為水壓試驗后殘留的水分在管道中經(jīng)過蒸發(fā)，在管子上部的特定區(qū)域聚集成水滴，這里的Cl-含量較高，形成明顯腐蝕銹跡。

根據(jù)圖16，腐蝕痕跡沿著管道的環(huán)向方向往兩邊擴(kuò)展，在水的重力作用下沿管壁往下滲透，形成向下的腐蝕痕跡，另一方面，由于管壁表面的“毛細(xì)現(xiàn)象”，腐蝕坑處的水會向上滲透，就導(dǎo)致腐蝕痕跡也往上擴(kuò)展。

7 結(jié)論及應(yīng)對措施

7.1 結(jié)論

該管線的缺陷是氯離子導(dǎo)致的不銹鋼材質(zhì)點腐蝕失效，氯離子的來源是2007 年9 月水壓試驗后的殘留物并在低位濃縮造成。

7.2 應(yīng)對措施

（1）因生產(chǎn)急需投運，將定檢中發(fā)現(xiàn)的黑度異常缺陷管段更換，焊縫無損檢測合格后交生產(chǎn)部門進(jìn)行試壓工作。

（2）試壓水質(zhì)中氯離子應(yīng)控制在2.5×10-5內(nèi)，試壓合格后立即放水并及時用氮氣吹干，并盡早投入物料，減少管線空置時間。這樣即使有積聚的氯離子也可以及時被物料稀釋并帶走。

（3）投運后運行部門應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，制定特護(hù)措施、重點監(jiān)控，確保穩(wěn)定運行。

（4）物資部門做好材料準(zhǔn)備，待后續(xù)檢修時該管線全部予以更換。

（5）對乙烯管道檢修規(guī)程中施工、試壓、吹掃、投運時間等要素進(jìn)行調(diào)整，管線施工過程中應(yīng)保持干燥、不應(yīng)有剩水，管線的試壓、吹掃、投運應(yīng)盡量連續(xù)，減少管線空置時間，避免事故重復(fù)發(fā)生。