堿液管線開工初期泄漏原因分析及防護

摘 要：某企業(yè)新建催化裂化裝置在開工初期發(fā)生304L材質堿液管道多次泄漏問題。該文通過對泄漏部位開展宏觀和微觀分析，查找堿液管道泄漏深層次原因并提出改進措施。

關鍵詞：開工;堿液;泄漏;原因分析;304L材質

中圖分類號：TG172.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0162-06

Abstract： A newly-built catalytic cracking unit in a certain enterprise experienced multiple leaks in its 304L caustic solution pipeline during the early stages of operation. Through macroscopic and microscopic analyses of the leak location， the deep-seated causes of caustic solution pipeline leaks were identified and improvement measures were proposed.

Keywords： operation; caustic solution; leakage; cause analysis; 304L material

某企業(yè)新建催化裂化裝置內(nèi)不銹鋼堿液管道在裝置開工投料不久后，即發(fā)生管線泄漏情況，此后不到一個月時間內(nèi)，該堿液管線又多次在焊縫處發(fā)生腐蝕泄漏情況，本文基于宏觀和微觀分析檢測方法，對堿液管線腐蝕泄漏原因進行深層次分析，對于今后新建裝置酸、堿等易腐蝕介質管線的安裝和投用方法具有一定指導意義。

1 概況

某企業(yè)新建催化裂化聯(lián)合裝置有一條堿液管道，該管道公稱直徑DN80，管道材質304L，介質為離子膜堿液（濃度32%左右NaOH），日常操作溫度40 ℃，操作壓力0.7 MPa，管道設置保溫，無伴熱線，具體見表1。

該管道全長1.3 km，焊口共計241個，管道安裝焊接工作從2023年2月6日開始，至2023年6月15日結束，共有焊工9名，2023年7月19日該管道安裝完成，檢測合格后進行水壓試驗，水壓試驗采用煉油老區(qū)提供的工業(yè)水作為介質進行了打壓，試驗壓力2.25 MPa，水壓試驗合格。

原設計此管道焊縫需進行焊后熱處理。但2022年8月22日，施工單位書面提出“因不銹鋼管道焊后熱處理溫度較高，實際施工環(huán)境無法達到該熱處理溫度，請設計確認取消此管道熱處理”，項目監(jiān)理和工程設計單位先后同意取消了熱處理，因此此條管道焊縫未進行焊后熱處理。焊接工藝如圖1所示。

因裝置開工需要，該條管線于2023年12月8日下午首次引料投用，2023年12月13日下午，即發(fā)現(xiàn)第一處泄漏點，在此后的一段時間，陸續(xù)出現(xiàn)其余漏點，截至2023年12月21日，整條管道已發(fā)現(xiàn)19處漏點，通過拆除保溫進行初步宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)泄漏位置存在以下共性：①泄漏點基本都處于焊縫的熔合線熱影響區(qū)。②漏點基本都位于管道正下方6點鐘方向，如圖2、圖3所示。為查明堿液線多次發(fā)生腐蝕泄漏原因，對該堿液管線泄漏部位進行取樣分析。

2 泄漏原因分析

2.1 宏觀分析

對取回的2個試樣進行宏觀觀察分析，從管道外部觀察，2個試樣漏點周圍均存在麻點，壁厚減薄明顯，將管道剖開，從內(nèi)部觀察，如圖4所示。從內(nèi)部可以看出，1#管孔洞位于焊縫焊接收弧處，貫穿整個壁厚，內(nèi)部存在腐蝕減薄和局部變形;2#管近焊縫處存在一處透光的貫穿孔洞，但在外表面觀察到的一系列微小漏點，可知腐蝕在壁厚內(nèi)部沿焊縫走向擴展，尺寸遠大于內(nèi)壁孔洞直徑。在遠離焊縫約8 mm處，有一未貫穿孔洞，從內(nèi)壁面處小孔開始腐蝕，沿壁厚方向向外擴展，可以確定腐蝕發(fā)生為從內(nèi)部向外壁面擴展，排除了保溫層下腐蝕泄漏的可能性。

通過對泄漏焊縫附件管道取樣分析可見：該管道焊縫坡口設置不規(guī)范，實際尺寸遠超焊評坡口要求，焊評中坡口尺寸要求如圖5所示，實際焊縫達到4.5 mm以上，如圖6所示。

通過對焊縫表面成型分析可見：焊接過程中焊接電流高、能量大，焊縫底部焊瘤過大，焊縫背面成型較差，導致焊接熱影響區(qū)的范圍擴大，已經(jīng)大于25 mm，遠超正常值。熱影響區(qū)晶界析出增多，會破壞不銹鋼表面的鈍化膜，致使熱影響區(qū)附近的抗點蝕能力下降。如圖7所示。

2.2 成分分析

304 L對應的國標牌號為022Cr19Ni10，根據(jù)GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》進行不銹鋼多元素含量的測定。取樣位置如圖8所示，其中編號1、2試樣，包含熱影響區(qū)及焊縫區(qū)域，編號3、4、5區(qū)域為遠離焊縫的母材區(qū)域。測試結果見表2。

根據(jù)GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》中對牌號022Cr19Ni10的成分規(guī)定，將檢測結果與標準元素含量進行對比，可知編號2試樣上的母材區(qū)域與編號3試樣上的母材區(qū)域的Ni含量均略低于標準，其余元素成分含量皆在標準范圍內(nèi)。

2.3 金相分析

已知材質為不銹鋼304L，用線切割對管道各部位進行取樣，經(jīng)過鑲樣、打磨、拋光后，利用OLYMPUS-DX510金相顯微鏡直接觀察未電解侵蝕的拋光試樣。取樣管段為管線中的彎管段，由于管線出現(xiàn)失效現(xiàn)象的位置都在管段的底部，也就是時鐘的6點鐘方向，取失效管道6點鐘方向試樣。試樣包含管段的焊縫區(qū)域、熱影響區(qū)?？梢园l(fā)現(xiàn)在各個位置的熱影響區(qū)和焊縫區(qū)都存在夾雜物。點蝕坑較大，數(shù)量較多，腐蝕嚴重，如圖9所示。

觀察完拋光態(tài)的試樣，再使用10%草酸溶液侵蝕10～15 s后，利用OLYMPUS金相顯微鏡進行觀察。圖10為失效管段6點方向位置微觀組織圖?？梢钥闯鰺嵊绊憛^(qū)晶粒較大，且存在較多粗大的碳化物，這是由于熱影響區(qū)在受熱過程中，晶粒長大，同時碳元素不斷擴散到晶界與鉻形成碳化物，造成晶界缺少鉻，形成一條貧鉻帶，此處很難形成較為完整的氧化鉻鈍化膜，腐蝕很容易從此處誘發(fā)。

2.4 腐蝕分析

在3#試樣彎管穿孔焊縫的6點鐘方向采用角磨機取2個垂直于焊縫的試樣，如圖11（a）與圖11（b）所示。其中1號試樣的焊縫正面發(fā)現(xiàn)一個暴露在外的腐蝕坑（圖11（a）白圈處）。對2號試樣表面進行著色探傷，在2號試樣表面發(fā)現(xiàn)有一個未完全穿孔的缺陷（圖11（b）白圈處）。通過MTS萬能力學性能試驗機將試樣拉斷，1號試樣與2號試樣均在白圈處斷裂。此外，在拉伸過程中在1號試樣底部首先斷裂，觀察斷口發(fā)現(xiàn)同樣存在隱藏腐蝕坑。圖11（c）—圖11（f）為試樣1和試樣2拉斷后的正面和背面宏觀圖。將3個打開的腐蝕孔編號為1號、2號和3號，其位置如圖11（g）所示。

為了分析腐蝕穿孔原因，利用TESCAN CLARA S8000掃描電鏡對腐蝕區(qū)域進行分析，且采用配套的能譜儀EDS進行元素分析。為了保證能測到腐蝕產(chǎn)物，未對試樣進行清洗。

1號腐蝕孔的宏觀形貌圖如圖12（a）所示，可以觀察到有2個孔洞。圖12（b）為1號腐蝕孔微觀形貌，可以觀察到晶間腐蝕特征。對表面腐蝕產(chǎn)物進行EDS分析，結果如圖10（c）所示，可以看到有少量的O以及Cl元素。

2號腐蝕孔的宏觀形貌圖如圖13（a）所示，可以觀察到有2個孔洞，其中靠上的腐蝕孔較深。腐蝕孔底部腐蝕產(chǎn)物微觀形貌如圖13（b）所示。圖13（b）右下側呈現(xiàn)晶間腐蝕形貌。

3號腐蝕孔的宏觀形貌圖如圖14（a）所示，該腐蝕孔較深，腐蝕孔底部腐蝕產(chǎn)物微觀形貌如圖14（b）所示。采用EDS對其元素進行分析，可以發(fā)現(xiàn)存在大量Na元素和O元素，此外還有少量Cl元素。

采用掃描電鏡對腐蝕坑內(nèi)部形貌與腐蝕產(chǎn)物元素組成進行調查。其中腐蝕表面形貌為晶間腐蝕，而腐蝕產(chǎn)物中都存在少量的Cl元素，此外還有O元素和Na元素。Na和O元素來自內(nèi)部堿液（介質為NaOH），Cl元素來自于堿液和7月份水壓試驗中殘余的工業(yè)水（堿液中氯離子質量濃度1.88 mg/L，工業(yè)水中氯離子質量濃度20.76 mg/L）。在7月份進行水壓試驗后，由于管內(nèi)有未排盡的水，在重力作用下殘留在管內(nèi)底部（6點鐘方向）。而焊縫附近的Ni元素含量低進一步降低了鋼管的耐蝕性。Cl-容易破壞不銹鋼表面氧化膜，穿透氧化膜和鋼表面起作用，將鋼表面暴露出來形成陽極，產(chǎn)生點蝕。蝕孔通常沿著重力方向發(fā)展，一旦形成，具有深挖的動力，即向深處自動加速。

3 結論

奧氏體不銹鋼敏化溫度范圍在600～1 000 ℃，在焊接304L不銹鋼時焊縫兩側2～3 mm處可以被加熱至600～800 ℃，這時晶界的鉻和碳的化合物（Cr，F(xiàn)e）23C6從固溶體中析出，由于鉻的流動速度很慢，不易從晶體內(nèi)擴散到晶界，因此晶界形成貧鉻區(qū)，焊后又未采取固溶處理或是穩(wěn)定化處理消除敏化區(qū)。堿液投用后，焊縫敏化區(qū)域中的貧鉻區(qū)在NaOH水溶液中作為陽極被選擇性腐蝕掉，由于貧鉻區(qū)是沿著晶間形成的，發(fā)生了晶間腐蝕。

管道焊接過程中焊接電流高、能量大，焊縫底部焊瘤過大，焊縫背面成型較差，導致焊接熱影響區(qū)的范圍擴大，已經(jīng)大于25 mm，遠超正常值，熱影響區(qū)晶粒較大，且存在較多粗大的碳化物，造成晶界貧鉻，難以形成較為完整的氧化鉻鈍化膜，致使熱影響區(qū)附近的抗點蝕能力下降，施工完成后未對不銹鋼管道進行酸洗鈍化處理，失去了貴金屬特性，進一步為腐蝕的發(fā)生提供了條件。

在2022年7月進行水壓試驗后，由于管內(nèi)有未排盡的水，在重力作用下殘留在管內(nèi)底部。而焊縫附近的Ni元素含量低進一步降低了管道的耐腐蝕性。Cl離子容易破壞不銹鋼表面氧化膜，穿透氧化膜和鋼表面起作用，將鋼表面暴露出來形成陽極，產(chǎn)生點蝕。蝕孔通常沿著重力方向發(fā)展，一旦形成，具有深挖的動力，即向深處自動加速，最后形成孔洞。

Cl元素的存在、不致密的保護膜以及敏化區(qū)的存在是造成嚴重腐蝕的根本原因，在堿液電解液的聯(lián)合腐蝕下，最終發(fā)生嚴重的晶間腐蝕。

結合分析結果和管道工況，設計院對該條堿液管道重新設計和更換，將管道材質更換為20#碳鋼材料，所有焊縫進行焊后熱處理，管道水壓試驗合格后，采用氮氣吹掃置換干燥，管道投用后，穩(wěn)定運行，無再次泄漏事故發(fā)生。

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作者簡介：李巖（1986-），男，工程師，揚子石化橡膠廠設備副廠長。研究方向為設備管理。