MBA塔底液體出口管線彎頭開裂原因分析

摘 "要""某石化公司MBA塔塔底液體出口管線因一處彎頭開裂導致介質(zhì)泄漏，通過對開裂部位進行宏觀檢查、化學成分分析、力學性能分析、金相分析、掃描電鏡及能譜分析，找出彎頭開裂原因。結(jié)果表明：失效彎頭材料組織中的奧氏體晶界上存在析出相，使得材料耐蝕性能下降。在出口處沉積的腐蝕性介質(zhì)、焊接殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力的共同作用下，于應(yīng)力腐蝕較為敏感的焊接熱影響區(qū)優(yōu)先發(fā)生了晶間型的應(yīng)力腐蝕開裂。

關(guān)鍵詞""MBA塔 "彎頭開裂 "析出相 "焊接 "應(yīng)力腐蝕" " " " "DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406022

中圖分類號""TQ055.8 """""""""""""""文獻標志碼 "B """"""""""""""文章編號""0254-6094（2024）06-0000-00

MBA（甲基苯甲醇）作為重要的有機化工原料，廣泛應(yīng)用于香皂、香料和醫(yī)藥行業(yè)[1]。某石化公司MBA塔于2021年3月投入使用，2023年11月該塔底液體出口管線一處彎頭開裂導致了介質(zhì)泄漏。筆者通過對彎頭開裂部位進行宏觀檢查、光譜分析、力學性能分析、金相分析、掃描電鏡（SEM）及能譜分析（EDS），以分析彎頭開裂的原因。

1""運行工況介紹

MBA塔底液體出口管線安裝在塔底部裙座內(nèi)，用于向外部工藝管線輸送液體介質(zhì)。2023年11月，現(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)位于裙座外的部分管線保溫層有滲漏，檢修口有刺鼻的介質(zhì)氣味，拆除管線保溫層后發(fā)現(xiàn)該管線一處彎頭的焊縫附近發(fā)生了開裂。液體出口管線詳細參數(shù)如下：

設(shè)計壓力 "0.35 MPa/FV

工作壓力 "14 kPa

設(shè)計溫度 "209 ℃

工作溫度 "165 ℃

規(guī)格 "DN100-Sch80S-90EL

材質(zhì) "S31608

管線中的介質(zhì)及其含量如下：

甲基苯甲醇 "27.32%

苯丙醇 "2.7.27%

苯甲醇 "8.98%

苯乙醇 "6.08%

重組分 "28.34%

苯乙酮 "1.98%

苯酚 "0.02%

苯甲酸 "0.01%

2""試驗檢測與分析

2.1""宏觀檢查

失效彎頭宏觀形貌如圖1所示。由圖1a、b可見，開裂部位位于彎頭出口側(cè)焊接熱影響區(qū)，裂紋沿熱影響區(qū)環(huán)向擴展，總長約215 mm，裂紋周圍附著大量的黑色垢物，彎頭外壁大部分區(qū)域基本呈銀白色金屬光澤；由圖1c可見彎頭內(nèi)壁整體呈銀白色金屬光澤，局部附著有黑色粉末狀垢物，無明顯沖刷腐蝕痕跡；由圖1d可見內(nèi)壁裂紋不連續(xù)，內(nèi)壁裂紋總長約211 mm，接近于外壁裂紋長度，為貫穿性裂紋。

2.2""化學成分分析

失效彎頭母材及裂紋附近焊縫化學成分分析結(jié)果見表1。彎頭母材的化學成分符合GB/T 14976—2012對S31608鋼材的要求。因缺失原始焊接材料資料，查詢S31608材料常用的焊條型號為E316-XX，該焊縫化學成分符合NB/T 47018.2—2011對E316-XX焊條熔敷金屬化學成分的要求。

2.3""鐵素體含量測定

失效彎頭焊接接頭鐵素體數(shù)測定結(jié)果見表2。焊縫鐵素體數(shù)遠高于熱影響區(qū)和母材，焊縫鐵素體數(shù)平均值為6.10，不符合SH 3501—2021《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》對含鉬奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體數(shù)不大于5的要求。

2.4""力學性能分析

彎頭母材室溫沖擊性能檢測結(jié)果見表3。母材室溫沖擊吸收功平均值為38.2 J，最低值僅為11.1 J。

在彎頭出口側(cè)和入口側(cè)分別截取縱向彎曲試樣，試驗結(jié)果見表4，彎曲后的試樣形貌如圖2所示。1#受拉面為內(nèi)壁，彎曲后完全斷裂；2#受拉面為外壁，彎曲后試樣表面和厚度方向出現(xiàn)裂紋，但未完全斷裂，內(nèi)壁開裂程度較外壁嚴重。3#、4#彎曲后內(nèi)外表面均產(chǎn)生裂紋，內(nèi)壁開裂程度仍然較外壁更嚴重。綜合對比出口側(cè)和入口側(cè)彎曲實驗結(jié)果，出口側(cè)母材的彎曲性能較入口側(cè)更差。

失效彎頭各部位維氏硬度測試分析結(jié)果見表5。主裂紋附近區(qū)域因伴有大量二次裂紋其硬度值遠低于無裂紋區(qū)域硬度值，彎頭側(cè)熱影響區(qū)硬度值遠高于焊縫和彎頭母材硬度值。

2.5""金相組織分析

失效彎頭裂紋尖端軸向截面金相組織及形貌如圖3所示，開裂部位焊接接頭的母材與熱影響區(qū)金相組織均為奧氏體，焊縫金相組織為奧氏體+δ鐵素體。由圖3a可見熱影響區(qū)存在兩條裂紋，一條是由內(nèi)壁啟裂的主裂紋，一條是由外壁啟裂的微裂紋；圖3a～c可見主裂紋距離焊根約4"mm，近似平行于熔合線的方向，由內(nèi)壁向外壁以沿晶方式擴展，深度約為壁厚的一半，同時該裂紋伴有大量網(wǎng)狀的二次裂紋，嚴重區(qū)域可觀察到晶粒脫落后形成的黑色孔洞；圖3d可見微裂紋距離焊趾約3"mm，其沿厚度方向由外向內(nèi)以沿晶方式擴展，該裂紋深度約0.5"mm，且伴有網(wǎng)狀二次裂紋；圖3f可見近外壁緊鄰熔合線的熱影響區(qū)存在網(wǎng)狀微裂紋；圖3g～i可見母材近內(nèi)壁2"mm的寬度范圍內(nèi)存在網(wǎng)狀裂紋，奧氏體晶界上存在大量的析出相，局部區(qū)域存在晶粒脫落的孔洞形貌，近外壁的裂紋和孔洞形貌與近內(nèi)壁相似。

彎頭中段母材軸向截面金相組織及形貌如圖4所示，可見近內(nèi)壁表面存在大量的晶粒脫落后的黑色孔洞，內(nèi)壁表面和外壁表面均存在裂紋，奧氏體晶界存在析出相。

2.6""掃描電鏡及能譜分析

2.6.1""掃描電鏡電子金相分析

裂紋尖端金相組織及析出相掃描電鏡形貌如圖5所示。由圖5a可見主裂紋具有多源及沿晶開裂特征，并沿一定的角度由內(nèi)向外擴展；圖5b可見二次裂紋擴展過程中伴隨著奧氏體晶粒脫落所形成的凹坑形貌；圖5c可見裂紋中嵌有垢物；圖5d可見組織中存在沿奧氏體晶界分布的白色析出相。

2.6.2""掃描電鏡微觀斷口分析

斷口掃描電鏡形貌如圖6所示，可見原始斷口表面附著有垢物，清洗后斷口呈典型的冰糖狀沿晶開裂特征，局部伴有沿晶擴展的二次裂紋。

2.6.3""能譜分析

原始斷口表面、裂紋內(nèi)垢物、彎頭內(nèi)壁粉末狀沉積物以及晶界析出相能譜分析結(jié)果見表6。原始斷口表面垢物除基體元素外含有大量的C、O、Cu元素和少量的K元素；裂紋內(nèi)垢物主要以C、O、Fe元素為主，還含有大量的腐蝕性S、Cl元素和Na、K、Ca等雜質(zhì)元素；彎頭內(nèi)粉末狀垢物為介質(zhì)沉積物，其含有大量的腐蝕性元素S、Cl，S元素含量高達9.72%，Cl元素含量高達1.31%；晶界析出相中的Cr元素含量高于晶內(nèi)，說明析出相主要為Cr的化合物。

3 "分析與討論

失效彎頭材質(zhì)為S31608，屬于非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼。彎頭材料發(fā)生了敏化，晶界上析出了鉻元素和碳結(jié)合生成的碳化物，導致耐腐蝕性能下降。對于含碳量超過0.03%的非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼（不含Ti或Nb的牌號），在650"℃以上加熱或者緩慢冷卻通過這個溫度區(qū)間時，將會在晶界析出鉻的碳化物，造成鄰近區(qū)域Cr貧化使得這些區(qū)域?qū)Ωg敏感，即發(fā)生敏化作用[2，3]。失效彎頭的工作溫度約為165"℃，該溫度遠低于S31608產(chǎn)生敏化的溫度，說明其敏化并非在使用過程中發(fā)生，而是來自于生產(chǎn)和制造過程。

MBA塔液體出口管線輸送的介質(zhì)主要為醇類物質(zhì)和重油組分，其中重油組分介質(zhì)黏度較高，易沉積在彎頭出口處和水平安裝的管段底部，彎頭內(nèi)壁粉末狀沉積物能譜分析結(jié)果表明，沉積物中含大量的腐蝕性元素S、Cl。奧氏體不銹鋼焊接過程中因其熱膨脹系數(shù)比較高，焊接加熱過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時熔池金屬從液相向固相轉(zhuǎn)變時因體積收縮受阻產(chǎn)生結(jié)晶應(yīng)力，而奧氏體不銹鋼焊接接頭一般不進行焊后熱處理，焊縫和熱影響區(qū)不可避免的會存在焊接殘余應(yīng)力，同時出口管線的安裝過程也會引入裝配應(yīng)力[4]。彎頭內(nèi)壁形成了大量的沿晶腐蝕裂紋，而由于熱影響區(qū)對腐蝕性介質(zhì)更敏感，導致長期存在腐蝕性介質(zhì)沉積的熱影響區(qū)內(nèi)壁優(yōu)先發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

4 "結(jié)束語

經(jīng)分析，彎頭出口側(cè)焊接接頭發(fā)生開裂的原因為彎頭材料組織中的奧氏體晶界上存在析出相，導致材料耐蝕性能下降。在出口處沉積的腐蝕性介質(zhì)以及焊接殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力的共同作用下，于應(yīng)力腐蝕較為敏感的焊接熱影響區(qū)優(yōu)先發(fā)生了晶間型的應(yīng)力腐蝕開裂。為避免此類故障，該類彎頭在使用前應(yīng)進行材料復驗，開展化學成分分析、力學性能分析、金相組織分析等試驗，并進行符合性判定，滿足標準要求后，方可投用。

參 "考 "文 "獻

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[3]"李戰(zhàn)斌，柳云天，徐祥久，等.奧氏體不銹鋼S31608焊接工藝及接頭性能[J].機械制造文摘（焊接分冊），2020（5）：45-48.

[4]"王俊杰.常減壓裝置塔底奧氏體不銹鋼彎頭開裂原因分析及處理[J].全面腐蝕控制，2023，37（1）：40-44.

（收稿日期：2023-12-12，修回日期：2024-11-08）

作者簡介：楊釩（1972-），高級工程師，從事石油化工設(shè)備及裝備的技術(shù)管理工作，yangfan01@sinochem.com。

引用本文：楊釩.MBA塔底液體出口管線彎頭開裂原因分析[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.