齊耀東

1. 概述

某煉油廠渣油管道水平支管在與主管加強(qiáng)管接頭焊接熱影響區(qū)處斷裂，造成漏油事故。該管道輸送介質(zhì)為常減壓渣油，管道公稱(chēng)直徑DN250mm，設(shè)計(jì)壓力1.25MPa，操作壓力1.1MPa，設(shè)計(jì)溫度250 ℃，操作溫度100~130℃，壓力表管嘴支管規(guī)格為φ34mm×4.5 mm，接管長(zhǎng)度150mm，設(shè)計(jì)選材主管和支管均為20鋼。

2. 分析思路

對(duì)截取的試件進(jìn)行宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，從裂縫判斷，其斷裂產(chǎn)生于裂紋的擴(kuò)展和聚合，最后導(dǎo)致斷裂。從裂縫走向和形貌上初步判斷其斷裂是由應(yīng)力作用下的裂紋擴(kuò)展引發(fā)的。為了確定斷裂發(fā)生原因和斷裂機(jī)制，需分別對(duì)斷口部位管道的材質(zhì)和遠(yuǎn)離斷口部位的材質(zhì)進(jìn)行：化學(xué)成分、金相組織和夾雜物的分析。同時(shí)，需對(duì)失效渣油管道進(jìn)行斷口的宏觀和微觀監(jiān)測(cè)分析，根據(jù)斷口宏觀和微觀特征推斷管道的開(kāi)裂機(jī)制；再進(jìn)一步對(duì)裂紋尖端進(jìn)行微觀形貌分析，并結(jié)合管道實(shí)際服役環(huán)境特點(diǎn)，分析腐蝕環(huán)境與開(kāi)裂機(jī)制的關(guān)系；最后綜合渣油管道的材質(zhì)性能、斷口特征，給予相應(yīng)的力學(xué)、開(kāi)裂力學(xué)以及腐蝕電化學(xué)理論分析，確定渣油管道開(kāi)裂原因，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其余渣油管道復(fù)檢、使用以及設(shè)計(jì)、施工上給出建議。

為了進(jìn)行上述分析，對(duì)截取的兩塊渣油管道試件進(jìn)行取樣分析，主要取樣部位為150mm支線管道的斷口部位和遠(yuǎn)離斷口的部位。其中遠(yuǎn)離斷口部位管道取樣無(wú)特殊要求，對(duì)于斷口的管道取樣需沿?cái)嗫谌舆M(jìn)行裂紋微觀形貌分析（保留斷口），以進(jìn)一步判斷其失效原因。取樣位置如圖1所示。

圖1 取樣位置

3. 分析結(jié)果

（1）管道材料性能測(cè)試 材料基體化學(xué)成分分析：取斷口部位和遠(yuǎn)離斷口部位上的粉末分別進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果表明送檢的渣油管道的化學(xué)成分基本符合國(guó)家碳素鋼標(biāo)準(zhǔn)GB699—1999。

金相組織及夾雜物分析：截取斷口部位試樣和遠(yuǎn)離斷口部位試樣，將試樣處理之后進(jìn)行金相組織觀察，參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T13298—1991（金屬顯微組織檢驗(yàn)方法）。不同部位的鋼板金相組織基本一致、分布均勻。

對(duì)夾雜物進(jìn)行電子能譜（EDS）分析，表明這些夾雜主要是含C、O等元素的化合物。

金相組織和夾雜物觀察表明，失效管道材料基材的組織結(jié)構(gòu)和夾雜物無(wú)異常情況，屬于正常的組織結(jié)構(gòu)。

（2）斷口特征分析 斷口宏觀形貌特征分析：渣油管道斷口部位宏觀形貌如圖2所示。圖2a主管裂紋發(fā)生在焊接接頭的熔合區(qū)和熱影響區(qū)，并沿焊縫周向發(fā)展。從側(cè)面看，裂紋兩側(cè)凹凸不平，耦合比較自然，屬于鋸齒狀耦合。此外，隨著時(shí)間的推移，主管的裂紋長(zhǎng)度不斷擴(kuò)展，取下時(shí)接頭焊縫已接近完全斷開(kāi)。圖2b顯示，支管裂紋發(fā)生在焊接接頭的熱影響區(qū)，并沿焊縫周向發(fā)展。與主管接頭的開(kāi)裂一樣，裂紋的長(zhǎng)度隨著時(shí)間不斷擴(kuò)展。由圖2c、2d可知，管道斷口宏觀形貌呈現(xiàn)脆性特征。大部分區(qū)域比較平整，斷口表面呈褐色和暗色，夾帶部分黃銹；斷口有較明顯的腐蝕特征，有較多腐蝕產(chǎn)物，并伴有氧化現(xiàn)象。由此可看出，失效管道斷口具有應(yīng)力腐蝕的特征。

斷口斷面微觀形貌分析：將截取的試樣經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)行SEM觀察發(fā)現(xiàn)，其斷面微觀形貌均一致，從斷口同一位置的微觀形貌放大圖可清晰看出，材料晶界間縫隙非常明顯，晶體結(jié)構(gòu)疏松。

從六個(gè)不同位置的斷口形貌放大圖可見(jiàn)，斷口相對(duì)平整，明顯看到平行分布著大量大小、長(zhǎng)度不一的裂紋。

斷口顯微形貌如圖3所示，從圖中可明顯看出斷口上的臺(tái)階狀斷裂紋路，上側(cè)為管道內(nèi)表面，這表示斷裂起始是從內(nèi)表面開(kāi)始的脆性斷裂。

裂紋微觀形貌分析：將截取的試樣經(jīng)過(guò)處理后，對(duì)斷口縱切面進(jìn)行SEM觀察發(fā)現(xiàn)，其斷面微觀形貌均一致。對(duì)斷面上階梯狀斷裂紋路進(jìn)行再一次放大觀察可見(jiàn)，裂縫深入基體，裂縫中有腐蝕產(chǎn)物存在，斷面微觀形貌呈現(xiàn)沿晶型應(yīng)力開(kāi)裂特征。

將裂紋區(qū)域在掃描電鏡下觀察，得知裂紋中有黑色腐蝕產(chǎn)物，對(duì)黑色區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析，其結(jié)果表明裂紋內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物以C、O、Fe、Si和S為主。

（3）腐蝕產(chǎn)物分析 將管道內(nèi)表面銹層置于掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)鋼材基體表面有黑色腐蝕產(chǎn)物層，對(duì)黑色區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析，其結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物以C、O、Zn、N、Fe和S為主。

圖2 裂縫的宏觀形貌

圖3 斷口微觀形貌

4. 腐蝕機(jī)理分析

從裂紋形貌及裂紋擴(kuò)展特征來(lái)看，渣油管道內(nèi)部裂紋非常疑似應(yīng)力腐蝕裂紋。由于應(yīng)力腐蝕必須滿足拉應(yīng)力（包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力和殘余應(yīng)力）、敏感腐蝕性介質(zhì)和敏感材料三個(gè)條件，以下針對(duì)這三個(gè)方面分別進(jìn)行分析。

（1）管道受力 渣油管道應(yīng)力可能來(lái)自以下幾個(gè)方面：①管道內(nèi)部污水的工作應(yīng)力或振動(dòng)導(dǎo)致的應(yīng)力。②斷口緊挨焊道，處于焊接的熱影響區(qū)，加工工藝導(dǎo)致的殘余應(yīng)力。③腐蝕產(chǎn)物及腐蝕過(guò)程陽(yáng)極溶解所形成的各種產(chǎn)物，體積一般都大于被腐蝕掉的金屬體積，這種體積變化在閉塞的部位可以導(dǎo)致很大的應(yīng)力。④陰極反應(yīng)析出的氫，如進(jìn)入金屬某些部位富集形成氫分子，因產(chǎn)生很大的壓力而引起的應(yīng)力等。根據(jù)其斷口形貌觀察及裂紋內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物EDS結(jié)果可知，其應(yīng)力來(lái)源上述四種均有可能。

（2）腐蝕環(huán)境 由前面所述內(nèi)容可知，管道內(nèi)部污水含有大量的S、Cl、N、F等化合物，這些離子都是引發(fā)腐蝕或者應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的重要因素。

（3）材料特性 渣油管道采用的材質(zhì)是20鋼，該鋼材雖然符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但是其材質(zhì)在含N、S環(huán)境下具有比較嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕敏感性。

5. 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析可判斷，應(yīng)力腐蝕是造成渣油管道失效的主要原因。上述各項(xiàng)測(cè)試及分析表明，失效管道滿足發(fā)生應(yīng)力腐蝕的兩個(gè)條件：①腐蝕環(huán)境和應(yīng)力的作用。②裂紋、斷口等都具有應(yīng)力腐蝕的特征。而焊接和工作振動(dòng)使焊接接頭形成了應(yīng)力源和腐蝕源，服役環(huán)境中腐蝕介質(zhì)是造成應(yīng)力腐蝕的必然因素。

由分析結(jié)果可見(jiàn)，渣油管道斷裂雖然是偶然事件，但根據(jù)管道的服役條件判斷，這種斷裂有可能會(huì)普遍發(fā)生，因此建議對(duì)類(lèi)似服役的管道進(jìn)行抽樣檢測(cè)驗(yàn)證。

管道工作時(shí)的振動(dòng)、內(nèi)部輸送介質(zhì)造成的腐蝕環(huán)境和焊接加工工藝都是造成管道開(kāi)裂的因素，在今后的設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，可從以下方面進(jìn)行控制：①泵出口管道受機(jī)械振動(dòng)傳遞影響較大，應(yīng)設(shè)置彈簧支架加以固定，并減緩傳遞的振動(dòng)。②避免儀表支管水平布置，若水平布置時(shí)應(yīng)采取有效防振減振措施。③焊接操作應(yīng)嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，避免焊接殘留應(yīng)力，或進(jìn)行焊后熱處理以改善焊縫晶間組織結(jié)構(gòu)。

此外，還建議開(kāi)展管道在渣油環(huán)境下應(yīng)力腐蝕發(fā)生規(guī)律的研究，同時(shí)加強(qiáng)相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)、裂紋監(jiān)測(cè)和壽命評(píng)估等方面的監(jiān)測(cè)和預(yù)警方法。