硫酸裝置鑄鐵管道失效分析

王 猛,蘇同君,李偉娟,李志芳,劉 明

(中國(guó)石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司,河北 石家莊 050099)

1 失效管道基本情況

某煉化公司硫酸裝置管道多次發(fā)生貫穿性開裂,導(dǎo)致物料泄漏。失效管道位于硫酸生產(chǎn)單元中空氣干燥塔塔底溢流線上[1-2]。失效管道材質(zhì)為鑄鐵,管道規(guī)格為DN200,管道壁厚為20 mm,操作溫度為80～90 ℃,輸送介質(zhì)為濃硫酸,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%。

2 失效管道檢測(cè)分析

2.1 宏觀形貌分析

拆卸下來(lái)的失效鑄鐵管道和切下的法蘭件分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 失效鑄鐵管道

圖2 切下的法蘭件

對(duì)兩者進(jìn)行觀察分析,發(fā)現(xiàn)鑄鐵管道發(fā)生了貫穿性開裂,斷口邊緣相對(duì)鋒利,無(wú)塑性變形,開裂位置為鑄鐵管正下方、鑄造線附近。失效鑄鐵管道發(fā)生了明顯的腐蝕減薄,其內(nèi)壁存在紅褐色腐蝕產(chǎn)物和白色沉積物,外壁存在紅褐色腐蝕產(chǎn)物和黑色沉積物;同時(shí)在管道內(nèi)壁和外壁各存在1處裂紋源。

圖3為失效鑄鐵管道斷口的宏觀形貌。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn),在斷口上存在2處裂紋源,其中1號(hào)裂紋源從管道外壁萌生,向內(nèi)壁擴(kuò)展;2號(hào)裂紋源從管道內(nèi)壁萌生,向外壁擴(kuò)展。2處裂紋源均存在裂紋萌生區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)。斷口無(wú)宏觀塑性變形,呈現(xiàn)脆性開裂特征,鑄鐵管道的失效形式為脆性開裂。此外,主裂紋沿著鑄造線擴(kuò)展。

2.2 金相分析

取1號(hào)裂紋源作為研究對(duì)象,分別在裂紋萌生區(qū)和放射區(qū)取點(diǎn),進(jìn)一步研究微區(qū)的金相組織形貌特征,結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4來(lái)看,失效鑄鐵管道裂紋源的金相組織由片狀珠光體與石墨組成。

圖4 裂紋源金相組織

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

分別在斷口附近、次近鄰位置和遠(yuǎn)離斷口位置取樣并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。不同區(qū)域鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示,鑄鐵的力學(xué)性能在表1中列出。測(cè)試結(jié)果顯示,斷口附近、次近鄰位置和遠(yuǎn)離斷口位置的材料力學(xué)性能差異較小。

表1 不同區(qū)域鑄鐵的力學(xué)性能

圖5 不同區(qū)域鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.4 截面銹層與二次裂紋分析

為了分析鑄鐵管道基體內(nèi)部的腐蝕情況,使用掃描電鏡對(duì)斷口及斷口附近內(nèi)壁、外壁的銹層截面進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同位置銹層的截面形貌

由圖6可知,管道內(nèi)壁與外壁均出現(xiàn)了蝕坑,且蝕坑底部由于應(yīng)力集中而萌生了微裂紋,微裂紋能夠誘發(fā)鑄鐵管道的開裂失效。同時(shí)在管道內(nèi)壁、外壁及斷口處均發(fā)現(xiàn)了大量的二次裂紋,這些二次裂紋均沿著片狀石墨擴(kuò)展。這是由于在石墨與珠光體異相組織結(jié)構(gòu)之間可以構(gòu)成電偶腐蝕電池,腐蝕會(huì)優(yōu)先沿著鑄鐵中的片狀石墨發(fā)展,使石墨片層成為裂紋萌生和擴(kuò)展的優(yōu)先位點(diǎn),這會(huì)大幅度降低鑄鐵的力學(xué)性能,加快鑄鐵管道的開裂失效。

2.5 硬度測(cè)試

在鑄鐵管道的不同區(qū)域進(jìn)行硬度測(cè)試,硬度測(cè)試結(jié)果在表2中列出。結(jié)果表明,斷口附近區(qū)域的硬度略高于遠(yuǎn)離斷口區(qū)域的硬度。這應(yīng)該與斷口附近相對(duì)較高的硅含量有關(guān),而較高的硬度使得斷口附近區(qū)域的腐蝕開裂敏感性較高。

表2 不同區(qū)域鑄鐵的硬度

2.6 壁厚測(cè)量

將開裂的鑄鐵管道剖開,其內(nèi)表面宏觀形貌見(jiàn)圖7。從圖7可明顯觀察到鑄鐵管道在液位線附近存在明顯的凹凸不平區(qū)域和曲率較大的凹坑。在液位線附近區(qū)域,沿管道軸向方向存在不均勻的腐蝕減薄區(qū)域。

圖7 失效管道內(nèi)表面宏觀形貌

為了分析管道內(nèi)不同位置的腐蝕情況,在管道上切取了兩個(gè)半環(huán),使用游標(biāo)卡尺測(cè)量半環(huán)的周向壁厚。壁厚測(cè)量結(jié)果如圖8所示,環(huán)向的壁厚分布極不均勻,中間段壁厚為20 mm左右,而斷口端僅有13 mm左右,壁厚相差近7 mm。

圖8 失效管道不同位置的壁厚

半環(huán)中間段為壁厚數(shù)據(jù)最大的部位,相比而言,斷口處的管壁最薄,結(jié)合斷口的宏觀形貌照片可知,斷口不同區(qū)域的厚度也有較大的差異。由于受到鑄造工藝的影響,管道環(huán)向壁厚分布極不均勻。鑄造線附近管壁較薄,在應(yīng)力作用下發(fā)生了明顯的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

2.7 腐蝕產(chǎn)物成分分析

分別在失效鑄鐵管道的內(nèi)壁和外壁刮取腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析。XRD分析結(jié)果表明,內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要為FeSO4和Fe3O4,這是鑄鐵受硫酸腐蝕而形成的;外壁附著物主要為SiO2,來(lái)自于管道表面涂覆的保護(hù)材料或者沾染的部分塵土。此外,使用能譜儀對(duì)斷口附近管道內(nèi)壁和外壁的銹層截面進(jìn)行元素分析。元素分析結(jié)果表明,內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物主要由O,Si,S和Fe等元素組成,且存在Si的富集,其富集促進(jìn)了腐蝕產(chǎn)物膜的形成,進(jìn)而誘發(fā)了膜下局部腐蝕,加速了微裂紋的萌生和擴(kuò)展;相比而言,外壁腐蝕產(chǎn)物主要由Si,O和Fe等元素組成,其中的Si元素與管道上涂覆的保護(hù)材料及附著的雜質(zhì)有關(guān)。

3 失效機(jī)理分析

上述分析結(jié)果表明,鑄鐵管道發(fā)生了典型的應(yīng)力腐蝕開裂失效,其失效過(guò)程是管內(nèi)介質(zhì)、管道應(yīng)力和管道材質(zhì)等因素綜合作用的結(jié)果。

3.1 管內(nèi)腐蝕介質(zhì)分析

為了避免空氣和水分等雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng),進(jìn)而影響硫酸品質(zhì),在干燥塔與循環(huán)槽之間設(shè)計(jì)了U型彎管,可以起到液封的作用。由于失效的鑄鐵管道位于U型彎管前,管內(nèi)介質(zhì)一直處于非滿管狀態(tài),受加工量影響其液位上下波動(dòng),暴露在液位上方的管道內(nèi)壁發(fā)生腐蝕生成浮銹。長(zhǎng)期運(yùn)行的混酸罐底部通常存在一些雜質(zhì)顆粒,在濃硫酸的沖刷作用下,流體攜帶這些雜質(zhì)顆粒沖擊鑄鐵表面,破壞其鈍化膜,使鑄鐵管道長(zhǎng)期承受較大的沖蝕磨損,其壁厚分布會(huì)變得極不均勻。

3.2 應(yīng)力來(lái)源分析

3.2.1 溫差應(yīng)力

管道服役時(shí)其內(nèi)部環(huán)境溫度并不恒定,有時(shí)是急劇變化的,由此造成的熱膨脹和冷收縮若受到約束,就會(huì)在管道內(nèi)部產(chǎn)生溫差應(yīng)力。在溫差應(yīng)力的作用下,局部蝕坑會(huì)促進(jìn)裂紋的萌生,增加了鑄鐵的開裂敏感性,從而加速鑄鐵管道的失效過(guò)程。

3.2.2 鑄造應(yīng)力

受鑄造加工工藝的影響,鑄鐵管道的內(nèi)部和外部組織表現(xiàn)出不均勻性。由于鑄鐵管道壁厚不均勻,在鑄造加工過(guò)程中,鑄鐵管道不同區(qū)域在同一時(shí)間冷卻成型時(shí)會(huì)因收縮不一致而產(chǎn)生鑄造應(yīng)力。鑄鐵管道沿軸向開裂,開裂部位位于鑄造線附近,其壁厚與鑄造線兩側(cè)管道的壁厚相差較大。由于該處鑄造線明顯凸出,其形狀不連續(xù),且出現(xiàn)應(yīng)力集中,裂紋容易沿該處鑄造線擴(kuò)展。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié) 論

由上述分析可知,在溫差應(yīng)力、鑄造應(yīng)力、管內(nèi)介質(zhì)與管道材質(zhì)等因素的綜合作用下,鑄鐵管道的開裂敏感性增強(qiáng)。鑄鐵管道因受到?jīng)_刷腐蝕而導(dǎo)致其壁厚分布不均,且由于管道存在鑄造缺陷,管道局部存在應(yīng)力集中,這就為裂紋的萌生和發(fā)展提供了條件,最終導(dǎo)致管道發(fā)生了脆性開裂。

4.2 建 議

(1)增加管道外壁保溫措施,減小管道內(nèi)壁與外壁的溫差應(yīng)力。

(2)裂紋萌生和發(fā)展較為迅速,為了快速查找裂紋,建議對(duì)該系統(tǒng)的其他管道進(jìn)行超聲檢測(cè)。

(3)更換管道材質(zhì),建議選用UNS N08020合金或球墨鑄鐵,并開展材質(zhì)評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

(4)加強(qiáng)管道制造質(zhì)量控制,防止出現(xiàn)鑄造缺陷,并確保組織成分均一分布。建議對(duì)成品管道進(jìn)行消除殘余應(yīng)力熱處理。

(5)消除管道拘束應(yīng)力,進(jìn)行無(wú)應(yīng)力安裝,減少鑄造線附近應(yīng)力集中的現(xiàn)象,從而降低材料的應(yīng)力腐蝕開裂傾向。