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        焊態(tài)奧氏體不銹鋼在含氯酸性水中的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性研究

        2021-02-10 12:40:12包振宇段永鋒李朝法
        壓力容器 2021年12期
        關(guān)鍵詞:不銹鋼

        包振宇,段永鋒,李朝法

        (中石化煉化工程集團(tuán) 洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心,河南洛陽(yáng) 471003)

        0 引言

        絕大部分開(kāi)采出來(lái)的天然氣中都含有一定量的酸性氣及其他雜質(zhì)成分[1],例如國(guó)內(nèi)某天然氣凈化廠(chǎng)加工的原料天然氣中H2S含量為15.2%,CO2含量為8.6%,由于酸性氣含量高,同時(shí)還含有氯離子(Cl-)、單質(zhì)硫及凝析水,管線(xiàn)的局部低洼處容易造成含氯酸性水聚集,對(duì)輸送未凈化天然氣的管道及天然氣過(guò)濾設(shè)備具有較強(qiáng)的腐蝕破壞性[2-3]。隨著氣源的劣質(zhì)化,凝析水中溶解的Cl-不斷增多[4],對(duì)奧氏體不銹鋼設(shè)備和管道的完整性造成嚴(yán)重威脅[5-9]。由于酸性氣和Cl-同時(shí)存在,破壞機(jī)理相互促進(jìn)[10],腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題通常為兩者的協(xié)同作用[11-13],并且目前沒(méi)有關(guān)于奧氏體不銹鋼在該工況下應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)敏感性的系統(tǒng)性報(bào)道,因此,有必要開(kāi)展相關(guān)研究,便于企業(yè)采取合理的腐蝕控制方案。對(duì)天然氣處理設(shè)備和管道腐蝕部位的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,焊縫處腐蝕失效相對(duì)其他部位更嚴(yán)重[14-15],因此,本文中的SCC敏感性考察選擇了焊態(tài)金屬,以確保試驗(yàn)結(jié)果能夠體現(xiàn)設(shè)備和管道最薄弱部位的耐受性。

        1 材料與方法

        試驗(yàn)采用慢應(yīng)變速率拉伸(SSRT)試樣。樣品取材均為沿軋制方向的機(jī)加工切割,試樣結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示。焊態(tài)試樣的焊接區(qū)位于試樣的中間部位。

        圖1 SSRT試樣結(jié)構(gòu)及尺寸示意Fig.1 Schematic diagram of SSRT specimen structureand size

        A=EF/L1

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        RAR=RAE/RAA×100

        (5)

        EpR=EPE/EPA×100

        (6)

        式中,EF為試樣失效時(shí)的拉伸長(zhǎng)度,mm;L1為標(biāo)距,mm(本文為25.4 mm);D1為測(cè)試前試樣直徑,mm;DF為測(cè)試后試樣直徑,mm;σF為試樣失效時(shí)的應(yīng)力,MPa;σPL為比例極限時(shí)的應(yīng)力,MPa;EPL為比例極限時(shí)的拉伸長(zhǎng)度,mm;Emax為最大加載時(shí)的拉伸長(zhǎng)度,mm;σmax為最大加載應(yīng)力,MPa;RAE為實(shí)際介質(zhì)當(dāng)中的收縮率,(%);RAA為氮?dú)猱?dāng)中的收縮率,(%);EPE為實(shí)際介質(zhì)當(dāng)中的塑性應(yīng)變,(%);EPA為氮?dú)猱?dāng)中的塑性應(yīng)變,(%)。

        材質(zhì)的SCC敏感性通過(guò)外觀(guān)觀(guān)察和塑性指標(biāo)(A,Z等)進(jìn)行等級(jí)評(píng)定,根據(jù)NACE TM 0198—2016評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。

        表1 SCC敏感性等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Grade assessment standard for SCC sensitivity

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 焊態(tài)304L不銹鋼

        圖2為不同Cl-含量酸性水中焊態(tài)304L不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。表2列出不同試驗(yàn)條件下焊態(tài)304L不銹鋼的SCC敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

        圖2 焊態(tài)304L拉伸試樣在不同條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Stress-strain curve for as-welded 304L SSRTspecimen under different conditions

        表2 焊態(tài)304L拉伸試樣在不同Cl-濃度下的酸性水中SCC敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.2 SCC Sensitivity evaluation indexes for as-welded 304L SSRT specimen in sour water with different Cl- concentration

        (a)氮?dú)?/p>

        (b)2 000 μg/g Cl-酸性水

        (c)5 000 μg/g Cl-酸性水

        (d)10 000 μg/g Cl-酸性水

        (e)20 000 μg/g Cl-酸性水圖3 焊態(tài)304L拉伸試樣斷口形貌Fig.3 Fracture surface morphology of as-welded 304L SSRT specimen

        從圖2可以看出,焊態(tài)304L試樣在氮?dú)鈼l件下,彈性變形階段隨著荷載的增加,應(yīng)變隨應(yīng)力成正比增加;塑性變形階段隨著應(yīng)力增加,應(yīng)力與應(yīng)變不成比例,開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形,應(yīng)變?cè)黾拥乃俣却笥趹?yīng)力增長(zhǎng)速度,出現(xiàn)屈服點(diǎn)。當(dāng)達(dá)到最大拉伸強(qiáng)度后,變形迅速增大,而應(yīng)力反而下降,直至試樣發(fā)生斷裂。剩余試驗(yàn)條件下,焊態(tài)304L拉伸試樣在達(dá)到最大拉伸強(qiáng)度后,應(yīng)力迅速下降并發(fā)生斷裂,且斷裂時(shí)間(尤其是含氯條件下)明顯短于氮?dú)鈼l件。由表2可知,依據(jù)表1的判斷標(biāo)準(zhǔn),得到氮?dú)庠囼?yàn)中焊態(tài)304L試樣SCC敏感性符合等級(jí)1,其余試驗(yàn)中試樣SCC敏感性均符合等級(jí)4。

        利用SEM對(duì)斷裂后的試樣截面觀(guān)察(如圖3所示),可見(jiàn)氮?dú)庠囼?yàn)條件下的焊態(tài)304L試樣斷面有大量韌窩,頸縮明顯;其他試驗(yàn)條件下的焊態(tài)304L試樣基本無(wú)頸縮,斷面上有解理面,且有裂紋,呈現(xiàn)脆性斷裂特征。隨著Cl-濃度的升高,試樣斷面上的裂紋逐漸變得明顯且增多。

        2.2 焊態(tài)316L不銹鋼

        圖4為不同Cl-含量酸性水中焊態(tài)316L不銹鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。表3列出不同試驗(yàn)條件下焊態(tài)316L不銹鋼的SCC敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

        圖4 焊態(tài)316L拉伸試樣在不同條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.4 Stress-strain curve for as-welded 316L SSRTspecimen under different conditions

        表3 焊態(tài)316L拉伸試樣在不同Cl-濃度下的酸性水中SCC敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.3 SCC Sensitivity evaluation indexes for as-welded 316L SSRT specimen in sour water with different Cl- concentration

        由圖4可以看出,無(wú)Cl-酸性水、10 000 μg/g Cl-無(wú)酸性氣和5 000 μg/g Cl-酸性水的環(huán)境中,焊態(tài)316L試樣表現(xiàn)出與氮?dú)庠囼?yàn)條件相似的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律,根據(jù)表3中數(shù)據(jù),并結(jié)合表1中的判斷標(biāo)準(zhǔn),3種情況下的各項(xiàng)指標(biāo)均符合等級(jí)3;而含有6 000~50 000 μg/g Cl-的酸性水中,焊態(tài)316L試樣則呈現(xiàn)出較為明顯的SCC敏感性,4種情況下的各項(xiàng)指標(biāo)均符合等級(jí)4。

        使用SEM對(duì)斷裂后的試樣截面觀(guān)察(如圖5所示),可見(jiàn)氮?dú)庖约盁o(wú)Cl-酸性水和10 000 μg/g Cl-無(wú)酸性氣的環(huán)境下,焊態(tài)316L試樣斷面有大量韌窩,頸縮明顯;5 000 μg/g Cl-酸性水中,焊態(tài)316L試樣斷面有少量韌窩存在,且有河流狀花樣,呈現(xiàn)準(zhǔn)解理特征[16-18];而6 000~50 000 μg/g Cl-酸性水中,焊態(tài)316L試樣斷面有解理面,且有裂紋,呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

        (a)氮?dú)?/p>

        (b)無(wú)Cl-酸性水

        (c)10 000 μg/g Cl-無(wú)酸性氣

        (d)5 000 μg/g Cl-酸性水

        (e)6 000 μg/g Cl-酸性水

        (f)10 000 μg/g Cl-酸性水

        (g)20 000 μg/g Cl-酸性水

        (h)50 000 μg/g Cl-酸性水

        3 討論

        由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,即便是在不含Cl-的酸性水中,焊態(tài)304L不銹鋼也具有SCC敏感性;焊態(tài)316L不銹鋼在5 000 μg/g Cl-的酸性水中,以及10 000 μg/g Cl-不含酸性氣的水溶液中,呈現(xiàn)出一定的SCC敏感性,且隨著Cl-濃度的進(jìn)一步升高,SCC敏感性顯著增強(qiáng)??梢?jiàn),焊態(tài)奧氏體不銹鋼對(duì)于Cl-的耐受性有限,焊態(tài)316L在酸性水環(huán)境中的SCC敏感性低于焊態(tài)304L。酸性水中的H2S和CO2能夠降低兩種焊態(tài)金屬發(fā)生SCC的Cl-濃度閾值,繼而更容易導(dǎo)致材料失效。這是由于焊態(tài)奧氏體不銹鋼發(fā)生氯化物SCC與pH值有一定關(guān)系,當(dāng)H+濃度達(dá)到某一臨界值時(shí),SCC才會(huì)發(fā)生[6]。基于陽(yáng)極溶解理論,金屬在發(fā)生腐蝕的過(guò)程中會(huì)消耗溶液中的H+,而CO2和H2S溶解在水中后,將部分電離產(chǎn)生H+,不斷補(bǔ)充消耗掉的H+,促進(jìn)陽(yáng)極溶解過(guò)程持續(xù)進(jìn)行。同時(shí),溶液中的氫原子會(huì)伴隨著Cl-在金屬表面的吸附和鈍化膜的破壞向金屬內(nèi)部滲透,降低材料的韌性。斷裂產(chǎn)生過(guò)程如圖6所示。

        圖6 斷裂過(guò)程示意Fig.6 Schematic diagram of cracking process

        出于安全考慮,建議天然氣凈化裝置的原料氣管線(xiàn)及過(guò)濾設(shè)備在使用焊態(tài)316L不銹鋼時(shí),預(yù)先進(jìn)行充分的分液(分液設(shè)備需采用耐蝕金屬),例如采用超音速氣液分離[19-20]、旋流分離[21]、聚結(jié)過(guò)濾[22]、超濾[23]等技術(shù),以盡可能地減少奧氏體不銹鋼管線(xiàn)與酸性水的接觸。鑒于焊態(tài)304L不銹鋼耐含氯酸性水腐蝕的程度有限,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不推薦使用焊態(tài)304L不銹鋼。

        4 結(jié)論

        (1)在60 ℃,H2S和CO2分壓分別為1.2 MPa和0.8 MPa的環(huán)境中,焊態(tài)304L不銹鋼在不含氯的酸性水中發(fā)生脆性斷裂;焊態(tài)316L不銹鋼在5 000 μg/g Cl-的酸性水中呈現(xiàn)準(zhǔn)解理特征。

        (2)酸性水腐蝕環(huán)境中,焊態(tài)316L不銹鋼的SCC敏感性低于焊態(tài)304L不銹鋼,且隨著溶液中Cl-濃度的升高,兩種焊態(tài)金屬的SCC敏感性明顯增強(qiáng)。

        (3)原料天然氣輸送管線(xiàn)及過(guò)濾設(shè)備不推薦使用焊態(tài)304L不銹鋼,使用焊態(tài)316L不銹鋼時(shí),建議事先采取充分的分液處理。

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