(中國(guó)石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司,黑龍江 大慶 163714)

石油化工生產(chǎn)中的各類(lèi)腐蝕常常導(dǎo)致設(shè)備和管道失效，從而造成各類(lèi)事故[1-3]。2016年9月，某化工廠乙烯裝置在停工檢修期間，對(duì)一條裂解爐原料注氣管線(xiàn)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)其上某90°彎頭焊縫附近存在一條長(zhǎng)裂紋。該裂解爐于2012年投入運(yùn)行，結(jié)構(gòu)為USC型管式裂解爐。該爐用于裂解重質(zhì)液體原料時(shí)，為降低烴分壓以達(dá)到降低裂解反應(yīng)壓力的目的，需將稀釋蒸汽分兩次注入到重質(zhì)原料中。開(kāi)裂失效部位位于裂解爐A室第一路進(jìn)料線(xiàn)一次注氣管線(xiàn)注入點(diǎn)前第二個(gè)彎頭處，注氣管線(xiàn)材質(zhì)為304H不銹鋼，規(guī)格尺寸為φ219 mm×8 mm，操作壓力為0.5 MPa，操作溫度為200 ℃，介質(zhì)為稀釋蒸汽。為查明彎頭開(kāi)裂原因，將注氣管線(xiàn)報(bào)廢彎頭切割下來(lái)，利用掃描電鏡及能譜儀等檢測(cè)儀器，對(duì)彎頭試件進(jìn)行檢測(cè)及分析。

1 彎頭宏觀檢查分析

圖1是彎頭外壁焊縫附近的裂紋。由圖1可以看出，裂紋位于彎頭一側(cè)的焊縫熔合線(xiàn)處，環(huán)向延伸長(zhǎng)度大約為145 mm。開(kāi)裂彎頭位于豎直與水平管線(xiàn)的下拐點(diǎn)處。圖2是彎頭橫截面形狀。由圖2可以看出，焊縫存在裂紋一側(cè)的彎頭橫截面處，且彎頭橫截面處存在明顯壓扁變形，說(shuō)明管線(xiàn)受熱膨脹,對(duì)彎頭產(chǎn)生了很大的擠壓彎矩。由圖2還可以看出，彎頭內(nèi)壁處的焊縫部分未焊透，并且對(duì)接處存在錯(cuò)邊現(xiàn)象。測(cè)量彎頭與直管焊接處,其焊縫錯(cuò)邊量超過(guò)4 mm。

圖1 彎頭外壁焊縫附近的裂紋

圖2 彎頭橫截面處的壓扁變形

2 橫截面宏觀檢查分析

從彎頭焊縫開(kāi)裂處截取小試件，用體視顯微鏡觀察分析試件橫截面裂紋情況，見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，在焊縫外壁彎頭一側(cè)的焊縫熔合線(xiàn)處存在一條較大的裂紋，幾乎擴(kuò)展穿透，而直管一側(cè)的焊縫熔合線(xiàn)處未發(fā)現(xiàn)裂紋。這是由于彎頭壁厚較小，直管一側(cè)的承載能力遠(yuǎn)大于彎頭一側(cè)，所以裂紋位于彎頭一側(cè)的焊縫熔合線(xiàn)處。

圖3 彎頭試件橫截面的宏觀形貌

3 外壁與橫截面微觀檢測(cè)分析

將彎頭試件外壁噴金導(dǎo)電處理，用掃描電鏡觀察分析彎頭外壁表面與橫截面外側(cè)微觀形貌，見(jiàn)圖4和圖5。由圖4可以看出，彎頭外壁的焊縫附近發(fā)現(xiàn)較多微裂紋，微裂紋大部分環(huán)向分布，延伸形態(tài)符合應(yīng)力腐蝕裂紋特征。由圖5可以看出，彎頭橫截面外側(cè)的焊縫根部裂紋擴(kuò)展距離很長(zhǎng)，裂紋前端擴(kuò)展蜿蜒曲折，裂紋尖端呈現(xiàn)分叉現(xiàn)象，這符合應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的特征，說(shuō)明彎頭外壁開(kāi)裂屬于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

圖4 彎頭外壁表面裂紋形貌 100×

圖5 彎頭橫截面外側(cè)微觀形貌 100×

4 斷口微觀檢測(cè)分析

采用機(jī)械彎折方法將裂紋較深的彎頭試件破開(kāi)，制成斷口試樣,用掃描電鏡觀察斷口表面微觀形貌，用能譜儀檢測(cè)斷口表面腐蝕產(chǎn)物成分，結(jié)果見(jiàn)圖6和表1。

圖6 彎頭斷口的微觀形貌 300×

元 素w,%x,%C 45.7269.31O 13.2515.08Si 6.384.13Cl 0.320.17Cr 6.562.30Fe 25.088.18Ni 2.690.83

由圖6可以看出，彎頭開(kāi)裂斷口區(qū)域的微觀形貌特征為冰糖狀的沿晶類(lèi)型，斷口上還有一些二次裂紋，這符合沿晶型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的斷口特征。由表1可以看出，彎頭斷口表面的腐蝕產(chǎn)物成分主要為鐵的碳化物和氧化物，在斷口擴(kuò)展區(qū)末端也就是原始裂紋尖端區(qū)域，發(fā)現(xiàn)微量的Cl元素。Cl是奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕最敏感的元素，304奧氏體不銹鋼在高應(yīng)力區(qū)域，存在微量Cl-就可以導(dǎo)致其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[4-6]。由此可以確定，彎頭外壁發(fā)生了Cl-導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

5 金相組織檢測(cè)分析

截取彎頭試樣，用金相砂紙和金剛石研磨膏研磨和拋光，用王水溶液浸蝕，制成金相分析試樣；用金相顯微鏡對(duì)試樣金相組織和裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行觀察分析，見(jiàn)圖7和圖8。由圖7可以看出，彎頭微觀組織中裂紋擴(kuò)展蜿蜒曲折，呈現(xiàn)樹(shù)枝狀分叉，并且主要沿著晶界擴(kuò)展。由圖8可以看出，彎頭金相組織為奧氏體，晶粒度達(dá)到6級(jí)。焊縫附近的熱影響區(qū)組織中均有一定程度的晶間碳化物析出現(xiàn)象。晶間碳化物析出削弱了晶界強(qiáng)度，由此產(chǎn)生沿晶型開(kāi)裂。

圖7 彎頭裂紋處的金相組織 100×

圖8 焊縫熱影響區(qū)金相組織 500×

6 結(jié)論及措施

(1)彎頭外壁焊縫熔合線(xiàn)處的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是造成彎頭失效的主要因素。

(2)運(yùn)行中管道熱膨脹,在焊縫處產(chǎn)生高應(yīng)力;彎頭內(nèi)壁焊縫錯(cuò)邊處有未焊透現(xiàn)象，造成彎頭該區(qū)域應(yīng)力集中。

(3)外壁保溫棉滲透進(jìn)來(lái)的微量Cl-是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的環(huán)境因素；焊縫熱影響區(qū)組織晶間碳化物析出使其晶間弱化，最終導(dǎo)致沿晶型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

(4)對(duì)裝置的類(lèi)似管線(xiàn)排查探傷，查看焊縫處是否有外壁裂紋、內(nèi)壁未焊透等現(xiàn)象，消除類(lèi)似的安全隱患。

(5)針對(duì)注氣管線(xiàn)的熱膨脹問(wèn)題，進(jìn)行熱固耦合仿真計(jì)算，評(píng)估熱膨脹變形產(chǎn)生的應(yīng)力水平，以此來(lái)優(yōu)化管線(xiàn)的懸掛固定結(jié)構(gòu)。

(6)加強(qiáng)注氣管線(xiàn)的外壁保溫防護(hù)層施工質(zhì)量控制，防止防護(hù)層不嚴(yán)造成漏雨而使得保溫棉的Cl-滲透到管體外壁。