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(1. 新疆中油建筑安裝工程有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830001; 2. 中石油廣西石化有限公司，欽州 535008;3. 沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，沈陽(yáng) 110180)

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)煉化行業(yè)對(duì)保溫層下腐蝕(CUI)問(wèn)題并不重視，很多學(xué)者在研究保溫時(shí)只關(guān)注保溫層材料的選擇和保溫效果[1]；而在研究設(shè)備腐蝕時(shí)只重視材料的耐蝕性[2]，忽視保溫層在使用過(guò)程中給設(shè)備、管道帶來(lái)的腐蝕問(wèn)題[3-7]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能源消耗也迅猛增加，這加速了沿海地區(qū)大型煉油廠(chǎng)的發(fā)展。但是，設(shè)備材料在海洋工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕十分嚴(yán)重，是在沙漠環(huán)境中的100～150倍[8]，因此，沿海企業(yè)的保溫層下設(shè)備管道的腐蝕問(wèn)題更加突出[9]。

由于煉化企業(yè)的保溫層下管道主要為碳鋼，設(shè)計(jì)單位和使用企業(yè)均對(duì)保溫層下碳鋼管道采用外壁涂覆涂層后再覆蓋保溫層的防護(hù)方法，取得了良好的效果[10]。然而，由于不重視保溫層下不銹鋼管道的防腐蝕設(shè)計(jì)，在運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備、管道的失效事故時(shí)有發(fā)生[11-12]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起不銹鋼管道失效，導(dǎo)致被迫停工，這不僅造成環(huán)境污染及經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也嚴(yán)重威脅著操作人員及附近人員的人身安全。

某沿海煉廠(chǎng)，除鹽水管道材質(zhì)為304不銹鋼，壁厚4mm，管道內(nèi)介質(zhì)溫度為70℃，壓力為0.39MPa。采用硅酸鋁纖維針刺毯作為保溫層，外用0.6 mm厚鋁板包覆。服役4 a后，發(fā)現(xiàn)管道漏水，拆除保溫層后發(fā)現(xiàn)管道表面出現(xiàn)肉眼可辨的裂紋。本工作對(duì)該管道的失效原因進(jìn)行了分析，找出了失效原因，以期為在類(lèi)似環(huán)境中服役管道的設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行及日常檢測(cè)提供案例參考。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 外觀(guān)檢查

由圖1可見(jiàn)：管道外表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的樹(shù)枝狀裂紋，最寬裂紋達(dá)到0.5 mm；嚴(yán)重開(kāi)裂部位腐蝕銹斑嚴(yán)重，呈黑色瘤狀物。將樣品表面打磨清理后發(fā)現(xiàn)管道外表面有明顯的氧化銹斑及大量腐蝕麻點(diǎn)，如圖2所示；觀(guān)察管道橫截面，裂紋呈現(xiàn)清晰的網(wǎng)狀形貌，裂紋由外表面向內(nèi)表面延伸，如圖3所示。

圖1 管道外表面裂紋形貌Fig. 1 Crack morphology on the outer surface of the pipeline

圖2 管道外表面腐蝕形貌Fig. 2 Corrosion morphology on the outer surface of the pipeline

圖3 管道橫截面形貌Fig. 3 Cross section morphology of the pipeline

1.2 化學(xué)成分分析

截取失效管道基體進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明管道材質(zhì)符合GB 13296-2007標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于304不銹鋼的要求，見(jiàn)表1。

1.3 金相組織

沿著失效樣品縱向進(jìn)行切割，取樣品截面經(jīng)過(guò)鑲嵌、拋光后進(jìn)行觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)裂紋起源于管道外表面，并以樹(shù)枝狀在管壁上由外向里擴(kuò)展，見(jiàn)圖4(a)；局部放大后發(fā)現(xiàn)主裂紋起源于管道的外表面，并從外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展，裂紋呈樹(shù)枝狀分布，裂紋未貫穿管壁，見(jiàn)圖4(b)；進(jìn)一步放大后發(fā)現(xiàn)奧氏體組織清晰可辨，裂紋大部分貫穿奧氏體晶相，但也有部分裂紋沿晶擴(kuò)展，見(jiàn)圖5。

表1 失效管道的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of the failed pipeline %

(a) 低倍

(b) 高倍圖4 裂紋形貌Fig. 4 Origin direction of cracks:(a) low mignification; (b) high mignification

圖5 裂紋擴(kuò)展形貌Fig. 5 Propagation morphology of crack

1.4 腐蝕產(chǎn)物成分

失效試樣沿裂紋掰開(kāi)，觀(guān)察裂紋斷面的形貌后發(fā)現(xiàn)，中段的裂紋呈片狀脫落，并有一層附著物覆蓋，見(jiàn)圖6。

圖6 裂紋斷口形貌Fig. 6 Fracture morphology of the crack

對(duì)附著物進(jìn)行定點(diǎn)能譜(EDS)分析，檢測(cè)部位如圖7所示。由表1可見(jiàn)：斷口上存在大量的氧化物，還存在較多的氯化物。所以導(dǎo)致管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要腐蝕因子為氯離子。

(a) 位置1(b) 位置2

(c) 位置3(d) 位置4圖7 能譜分析位置Fig. 7 Analysis positions of EDS

1.5 顯微硬度

對(duì)裂紋區(qū)域的基體試樣進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裂紋區(qū)域試樣的最小硬度為0.219 8 HV,最大硬度達(dá)到0.225 1 HV，管道的硬度不均勻。奧氏體不銹鋼設(shè)備或管道及附件等在成型過(guò)程中一般都需要進(jìn)行冷加工，這個(gè)過(guò)程會(huì)引起較高的應(yīng)力[13]，這為應(yīng)力腐蝕創(chuàng)造了有利的條件。

表2 腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果Tab. 2 EDS analysis results of corrosion products

2 討論

通過(guò)對(duì)裂紋的宏觀(guān)和微觀(guān)特征進(jìn)行觀(guān)察，可以判斷裂紋起源于外表面，并呈樹(shù)枝狀擴(kuò)展，裂紋穿晶，為典型的奧氏體應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。結(jié)合使用斷面殘留物元素含量分析可知，引起奧氏體應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要腐蝕性離子是管道表面的氯離子。

沿海環(huán)境中空氣濕度大，含有一定量的鹽霧、以及工業(yè)污染物。雖然在管道表面采用吸水能力很小的硅酸鋁纖維毯覆蓋，但由于硅酸鋁纖維毯為多孔結(jié)構(gòu)，有較大的表面積和表面能，同時(shí)有豐富的毛細(xì)管，使其具有較強(qiáng)的吸附能力。當(dāng)硅酸鋁纖維毯表面的吸濕率超過(guò)允許極限時(shí)，勢(shì)必會(huì)引起相變，由水汽變?yōu)橐旱?，這些液態(tài)的水滴攜帶著鹽霧及腐蝕性雜質(zhì)形成強(qiáng)的電解質(zhì)溶液，有很強(qiáng)的腐蝕能力。而多孔材料之間存在溫度或濃度差，在孔隙間以滲流、擴(kuò)散的形式由保溫層外表面向內(nèi)表面發(fā)生遷移及能量傳遞[14]。當(dāng)含有氯的腐蝕介質(zhì)遷移到管道表面時(shí)，會(huì)侵蝕管道外表面，而且在管道表面局部區(qū)域富集，使奧氏體不銹鋼對(duì)氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性明顯升高，在雨水的綜合作用下，氯離子富集濃縮，當(dāng)氯離子達(dá)到一定濃度后，出現(xiàn)裂紋由管外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，導(dǎo)致奧氏體不銹鋼發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[15-16]。

3 結(jié)論與建議

海洋氣候環(huán)境中保溫材料的大比表面積，容易吸附水氣，導(dǎo)致管道表面氯離子富集，為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂提供了環(huán)境，管道平均硬度超標(biāo)，存在著較高的殘余應(yīng)力，為應(yīng)力腐蝕創(chuàng)造了有利的條件，保溫層管道開(kāi)裂失效是氯離子引起的奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

針對(duì)開(kāi)裂情況，提出以下建議：廠(chǎng)內(nèi)奧氏體不銹鋼設(shè)備、管道、閥門(mén)在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行規(guī)定保溫材料的氯化物含量限值，并對(duì)輔助材料如水泥、黏合劑、填縫劑、膩?zhàn)蛹鞍げ牧系染髁嗽敿?xì)規(guī)定。對(duì)保溫層下不銹鋼管道進(jìn)行檢修時(shí)，建議采用PT(滲透測(cè)試),UT(超聲測(cè)試)等適合的檢測(cè)方法。