張士侖

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

中壓蒸汽管線裂紋產(chǎn)生原因分析

張士侖

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在石油化工裝置中，應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致焊縫開裂是比較常見的材料破壞現(xiàn)象之一，特別是在鍋爐、壓力容器等設(shè)備上更為常見。許多研究人員對應(yīng)力腐蝕的機理、應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生所具備的條件和環(huán)境等方面做了大量的研究。通過大量的實踐和實驗發(fā)現(xiàn)，低碳鋼和低合金鋼材料在苛性堿溶液、氨溶液、含H2S的溶液、海水等溶液中易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；奧氏體不銹鋼在熱的氯化物溶液中、熱海水、濃的鍋爐水等溶液中，也易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。在鍋爐的鉚接和焊接部位，少量的滲漏使溶融的鹽形成局部高濃度的苛性鈉，易產(chǎn)生堿脆（即應(yīng)力腐蝕開裂）。在中壓蒸汽主管線中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂還是較為少見的，因此搞清應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的原因和機理，消除材料的應(yīng)力腐蝕對于石化裝置的“安、穩(wěn)、優(yōu)”生產(chǎn)，起著非常重要的作用。

1 問題的產(chǎn)生

在某裝置中壓蒸汽主管線在運行大約60多天后，在管道下部集液包底部封頭上部環(huán)向焊縫發(fā)現(xiàn)裂紋。裂紋的長度超過200mm，焊縫的1/4已經(jīng)裂開，大量的蒸汽外泄。裂紋位置（見圖 1）。

中壓蒸汽運行的技術(shù)參數(shù)（見表1）。

中壓蒸汽管線結(jié)構(gòu)形式（見圖2）。

從圖2中看出，集液包由底部倒淋閥、底部封頭、直短管、和凝液排出管線組成，主蒸汽管線通過三通與下部集液包連接。底部倒淋閥下端封有盲板，一般情況下并不排液，冷凝后的液體經(jīng)過集液包中部的排凝線上疏水器排到冷凝水管網(wǎng)。由于底部封頭溫度較低，因此蒸汽會冷凝變成水，積存在底部封頭處，當(dāng)積存的液體高于排凝線管口時，才能通過中部的凝液排放線排出蒸汽管網(wǎng)。因此在底部封頭處，必然會長期積存凝結(jié)水。

表1 中壓蒸汽管道的技術(shù)參數(shù)

2 裂紋產(chǎn)生的原因分析

2.1 施工原因分析

首先認(rèn)為是施工原因造成的。我們對未發(fā)生裂紋部分的焊縫進(jìn)行了化學(xué)成分分析，分析結(jié)果未發(fā)現(xiàn)有不合格的地方，因此可以排除焊接材料的問題。我們查閱了施工過程記錄，發(fā)現(xiàn)該管線焊口正好是一道經(jīng)射線檢測的焊口，無損檢測報告顯示，該道焊口評片均為I級片。所以應(yīng)排除焊接缺陷的問題。裂紋產(chǎn)生的部位在焊縫中心位置，并非在母材上，因此可以斷定母材應(yīng)沒有問題。我們提取了部分母材的樣品，經(jīng)分析化驗顯示，母材符合規(guī)定，沒有問題。因此可以排除施工原因。

2.2 應(yīng)力腐蝕開裂

我們進(jìn)一步對現(xiàn)場進(jìn)行了細(xì)致的核查，發(fā)現(xiàn)原來集液包的保溫層保護(hù)層鋁皮有不同程度的破壞，特別是最底層的鋁皮已經(jīng)破壞的相當(dāng)嚴(yán)重，幾乎成碎渣狀，從外觀上看，好像被什么物質(zhì)腐蝕了，成碎片狀。再觀察現(xiàn)場泄漏點的下方，滴到地面的地方，呈現(xiàn)白色粉末狀。再觀察泄露點周圍的集液包，發(fā)現(xiàn)有白色的片狀無附著在周圍，底部的倒淋閥周圍均有不同程度的白色物體覆蓋。

如果只是蒸汽泄露，那么只有2個月的時間為什么鋁皮會遭到那么嚴(yán)重的腐蝕呢？而且白色塊狀物又是什么呢？

我們提取了地面上和泄露點周圍的樣品進(jìn)行了化驗，化驗結(jié)果使我們大吃一驚，白色物體為NaOH，我們進(jìn)一步對底部閥門的排放物進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)排放物的堿液濃度達(dá)到40%，屬于強堿溶液。根據(jù)現(xiàn)場的勘察情況我們認(rèn)為可能是管道焊縫遭到了有強堿溶液的應(yīng)力腐蝕（堿脆），導(dǎo)致焊縫裂紋產(chǎn)生。

為了克服傳統(tǒng)的DEA模型和方向距離函數(shù)（SBM）模型的弊端，Tone和Tsutsui提出了EBM模型，由此實現(xiàn)了徑向與非徑向兩種方法的有效結(jié)合，放寬了徑向函數(shù)投入要素同比例縮減的假定，綜合了非徑向函數(shù)考慮松弛變量的特點［23］，故能夠?qū)ρ芯繉ο蟮男蔬M(jìn)行更加精確有效的評價。

那么發(fā)現(xiàn)的強堿又是如何進(jìn)入到蒸汽中呢。我們發(fā)現(xiàn)，與蒸汽管道相連的焚燒單元廢熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽并入到該蒸汽管網(wǎng)中。與鍋爐給水相連的管線有一條為30%Na0H溶液管線，很可能是操作不當(dāng)，蒸汽中混入了大量的堿液帶到了中壓蒸汽管網(wǎng)中。由于凝液包是低點，長時間的積存，造成了堿液濃度增高，再加上焊縫中存在的焊接應(yīng)力和管道本身的受壓而產(chǎn)生的拉應(yīng)力導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。（見圖3）。

3 應(yīng)力腐蝕的機理

金屬材料在拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕。金屬表面都有一層鈍化膜（氧化保護(hù)膜），在鈍化膜未被破壞時不發(fā)生腐蝕。在應(yīng)力作用下，金屬表面局部區(qū)域的鈍化膜被撕破，露出活性金屬表面，在介質(zhì)作用下出現(xiàn)腐蝕，且其發(fā)展是逐漸加劇的。應(yīng)力腐蝕與單純的應(yīng)力破壞不一樣，在極低的應(yīng)力作用下也會發(fā)生破壞；與單純由于腐蝕引起破壞也不同，腐蝕性很弱的介質(zhì)，也能引起應(yīng)力腐蝕破壞。應(yīng)力與腐蝕二者相互促進(jìn)，它往往在沒有變形預(yù)兆的情況下而迅速斷裂，很容易造成嚴(yán)重的事故。常用材料易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境（見表2）。

表2 常用材料易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境

從應(yīng)力腐蝕的發(fā)生條件可以看出，應(yīng)力腐蝕發(fā)生有2個條件，一個是必須有拉伸應(yīng)力的存在，另一個是有腐蝕的介質(zhì)。

3.1 碳鋼與堿液濃度和溫度的關(guān)系

經(jīng)過大量的研究和實驗，碳鋼產(chǎn)生堿脆與NaOH溶液濃度和溫度的關(guān)系（見圖4）。

（1）濃度的影響

從圖4中可以看出碳鋼在低溫稀堿液中具有良好的耐蝕性。然而一旦NaOH水溶液濃度高于5%時，碳鋼均有發(fā)生堿脆的可能性，隨著堿濃度的增加，碳鋼發(fā)生堿脆的傾向性增大。當(dāng)NaOH水溶液濃度為30%左右時，最容易發(fā)生堿脆。對于本文中出現(xiàn)的情況，由于堿液流入到中壓蒸汽中，沉積到底部，底部蒸汽長時間沉積，溫度較低，變成冷凝水，倒淋閥未及時將沉積的堿液排除，導(dǎo)致NaOH水溶液濃度越來越高。經(jīng)對排除的底部冷凝水化驗，其NaOH溶液的濃度達(dá)到了40%，這就為發(fā)生應(yīng)力腐蝕提供了條件。

（2）溫度的影響

從圖4可以看出，在50%NaOH水溶液中，碳鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕的最低溫度約為50℃，當(dāng)NaOH溶液濃度在10%時，應(yīng)力腐蝕發(fā)生的最低溫度在90℃左右。最容易發(fā)生堿脆的條件是NaOH的濃度是30%，溫度60℃至沸點。從圖中可以看出，堿液溫度的高低是產(chǎn)生堿脆與否的一個關(guān)鍵因素。在中壓蒸汽底部集液包處，其溫度由于受蒸汽的影響，溫度大概在80℃左右，在此溫度下，為應(yīng)力腐蝕開裂提供了溫度條件。

3.2 發(fā)生堿脆應(yīng)力的作用

發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的另一個關(guān)鍵因素是應(yīng)力的存在。管件在加工、制造、焊接過程中都存在著殘余應(yīng)力，特別是焊接殘余應(yīng)力，焊接造成的殘余應(yīng)力最大值可以接近材料的屈服極限。從圖5（a）中可以看出，與焊縫垂直方向上的應(yīng)力越接近焊縫中心，焊接殘余應(yīng)力越高，這說明了同時處于高濃度堿液中的封頭、管子和兩者之間的焊縫，由于焊縫中心的殘余應(yīng)力最高，因此最先導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破裂。又由于焊接殘余應(yīng)力沿焊接方向上的應(yīng)力分布不同，從圖5（b）可以看出距離焊接起點約200mm的地方應(yīng)力最高，向兩側(cè)逐漸減弱，在距離0點和400mm以外，逐漸降為0。因此整條焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的程度及時間長短是不同的，在應(yīng)力高的地方，可能先發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。從現(xiàn)場核查的情況來看，發(fā)生腐蝕破裂的確時間不同，從圖1中可以看到，右邊焊縫的部分已經(jīng)發(fā)生蒸汽泄漏，而在焊縫的其它部位，只出現(xiàn)了返銹現(xiàn)象，原來涂刷的底漆已沒有了，這說明此處雖已發(fā)生應(yīng)力腐蝕，但還沒有達(dá)到開裂的地步。見圖6。

3.3 應(yīng)力腐蝕的機理

應(yīng)力腐蝕是一個非常復(fù)雜的問題，應(yīng)力腐蝕的機理有多種不同的說法，電化學(xué)快速溶解理論是目前提得較多的觀點之一。

在腐蝕介質(zhì)中，金屬表面上形成具有保護(hù)能力的表面膜。由于金屬組織結(jié)構(gòu)上存在缺陷，鈍化膜總會存在薄弱點，該處電極電位比其他部位負(fù)，是個活性點，在應(yīng)力作用下引起破壞或減弱，結(jié)果暴露出新鮮表面。此新鮮表面在電解質(zhì)溶液中成為陽極，它與成為陰極的完整表面膜組成一個大陰極和小陽極的腐蝕電池，陽極的電流密度很大，結(jié)果就成為溝狀裂紋。

裂紋一旦形成，由于該尖端處應(yīng)力集中，使附近區(qū)域發(fā)生變形屈服，加速了陽極區(qū)溶解，進(jìn)而阻止了膜的再鈍化（圖7中A0所示）。裂紋尖端的進(jìn)展速度比裂紋兩側(cè)的溶解速度大的約10萬倍。同時在裂紋兩側(cè)因為有效應(yīng)力很快消失，繼續(xù)發(fā)展著的裂紋的側(cè)面及金屬整個表面是陰極，而裂紋尖端作為有效的陽極，在應(yīng)力不斷作用下，強化了電化學(xué)過程，裂紋繼續(xù)發(fā)展、傳播，像尖刀形那樣向前延伸，最終導(dǎo)致金屬發(fā)生破裂。見圖7。

在中壓蒸汽管道發(fā)生應(yīng)力腐蝕的地方，由于同時具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕的兩個條件，因此造成焊縫的應(yīng)力腐蝕。由于操作不慎，導(dǎo)致一定量的堿液進(jìn)入到蒸汽管網(wǎng)中，堿液在低點沉積，由于蒸汽凝液包的排液口并不在最低處，而是在封頭環(huán)向焊縫的上面，導(dǎo)致蒸汽凝液底部部分長期無法排出，堿液也不斷積累，濃度達(dá)到一定的程度，在應(yīng)力和溫度的作用下，經(jīng)過一段時間產(chǎn)生裂紋，然后裂紋逐漸擴展，達(dá)到臨界尺寸，裂紋尖端的應(yīng)力強度達(dá)到材料的斷裂韌性而發(fā)生失穩(wěn)斷。

4 消除應(yīng)力腐蝕的方法

從應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件上可以看出，發(fā)生應(yīng)力腐蝕必須有兩個條件：腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的存在。只要消除一個條件，應(yīng)力腐蝕就不會發(fā)生。對于本文所在情況，拉應(yīng)力是無法消除的，管道本身就承受蒸汽的壓力，焊縫的焊接殘余應(yīng)力因為沒有進(jìn)行管道熱處理因此焊接殘余應(yīng)力是無法消除的，生產(chǎn)一直在運行，也無法進(jìn)行焊道熱處理，因此焊縫產(chǎn)生拉應(yīng)力是永遠(yuǎn)存在的；只有消除腐蝕介質(zhì)的存在才能避免應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生。因此首先要求：操作人員精心操作，避免堿液過量流入到蒸汽管網(wǎng)中；其次就是將凝結(jié)水排放閥定期排放，避免堿液存積導(dǎo)致堿液的濃度升高造成應(yīng)力腐蝕。

經(jīng)生產(chǎn)操作人員的正確操作指導(dǎo)，每天現(xiàn)場操作人員定期對冷凝液進(jìn)行排放，現(xiàn)在未再次發(fā)生此類事件。

5 結(jié)論

（1）中壓蒸汽管線焊縫泄漏的原因不是施工造成的，是由于操作不當(dāng)，致使強堿溶液混入到中壓蒸汽管網(wǎng)中，造成的強堿溶液的應(yīng)力腐蝕。

（2）應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生是由于集液包長時間的積液，隨著強堿溶液的濃度越來越高，再加上此處的溫度大約在90°C左右，焊縫間有焊接應(yīng)力的和管道承受拉應(yīng)力的存在，隨著時間的累積，最終造成了應(yīng)力腐蝕開裂。

（3）消除應(yīng)力腐蝕的方法應(yīng)避免強堿溶液進(jìn)入到中壓蒸汽管網(wǎng)中，嚴(yán)格操作；應(yīng)定期對集液包的積液進(jìn)行排放。

1楊燦生 《氫氧化鈉溶液儲槽的開裂與對策》.

2主編劉敬福 《材料腐蝕及控制工程》.

3陳合成 《堿液腐蝕及防護(hù)技術(shù)》.

4徐文清 《鍋爐壓力容器應(yīng)力腐蝕破裂與控制》.

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1672-9323（2012）02-0075-03

2012-01-11）