周建國 曹福想 郭少宏 肖 康

（廣東省特種設備檢測研究院佛山檢測院 佛山 528000）

奧氏體不銹鋼強度高、塑性好、耐腐蝕性強,廣泛應用在壓力管道領域。因奧氏體不銹鋼管耐腐蝕,內(nèi)表面光潔,不易產(chǎn)生氧化皮等雜質(zhì),對下游重要設備的安全運行提供了重要保障,故輸送天然氣至燃氣輪機的管道,多采用奧氏體不銹鋼管。以埋地方式敷設的奧氏體不銹鋼管道,防腐層質(zhì)量較差的部位,在運行過程中容易產(chǎn)生破損點[1],敷設環(huán)境中的氯離子將與管道漏鐵表面直接接觸,此時,拘束拉應力較大的部位容易產(chǎn)生氯離子應力腐蝕[2]。氯離子應力腐蝕持續(xù)發(fā)展,將造成管體開裂,引發(fā)天然氣泄漏事故,天然氣聚集甚至可能引發(fā)爆炸事故,嚴重危及建筑物和人的安全,存在較大的運行安全風險隱患。

本文以某電廠的埋地奧氏體不銹鋼燃氣管道彎頭外表面裂紋為研究對象,采用無損檢測、理化檢驗等方法,獲取彎頭裂紋宏觀及微觀形態(tài),分析裂紋形成機理；同時通過敷設環(huán)境分析、管道運行工況分析,驗證分析結(jié)果的可靠性。并制定相應措施,預防運行中的埋地奧氏體不銹鋼管道類似安全隱患的產(chǎn)生。

1 概述

某發(fā)電廠在用3套燃氣輪機機組,燃用的天然氣由燃氣計量調(diào)壓站輸送至廠內(nèi)增壓站增壓,增壓后天然氣壓力和溫度由3 MPa、0～20 ℃升至5 MPa、60～70 ℃,經(jīng)廠內(nèi)埋地不銹鋼管道輸送至燃氣輪機機組發(fā)電,燃燒尾氣進入余熱鍋爐換熱后排至大氣。

廠內(nèi)輸送燃氣的埋地管道選用奧氏體不銹鋼管,材質(zhì)為06Cr17Ni12Mo2,規(guī)格為D114 mm×6 mm,執(zhí)行標準GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》；管件選用無縫管件,材質(zhì)為06Cr17Ni12Mo2,滿足GB/T 12459—2017《鋼制對焊管件 類型與參數(shù)》和GB/T 13401—2017《鋼制對焊管件 技術規(guī)范》的要求。管道外表面采用雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末加強級防腐,覆以30 mm的聚氨酯泡沫[3]保溫層,保溫層外包覆D180 mm×3 mm高密度聚乙烯防護層。2018年12月,正式投入使用。

2022年1月,依據(jù)相關標準規(guī)范對該管道開展首次定期檢驗工作。采用皮爾遜法對埋地管道進行防腐層不開挖檢測,在增壓站出口順氣流方向第5個彎頭處檢測到1處疑似破損信號P1,信號值大于1 000 mV；在距離該彎頭72 m,順氣流方向的下游處檢測到1處信號值為215～310 mV的疑似破損信號P2。P1處屬于SY/T 0087.1—2018《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕評價標準 第1部分：埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評價》規(guī)定需要立即處理的一類疑似破損點。對信號指示部位進行開挖檢測（見圖1）,結(jié)果顯示為最外側(cè)管道彎頭外表面防腐層存在2處大面積破損區(qū)域。

圖1 P1處開挖檢驗

2 無損檢測

對防腐層破損區(qū)域進行滲透檢測,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在密集表面裂紋（見圖2）。為確認裂紋賦存區(qū)域,分析裂紋形狀,清除彎頭表面防腐層,對彎頭整體及兩端焊接接頭進行滲透檢測擴探（見圖3）。結(jié)果顯示,裂紋主要分布在彎頭外弧面,主體沿徑向擴展,在順氣流方向呈梯度分布,外弧面區(qū)域最為密集,往兩側(cè)逐漸稀疏；裂紋呈樹枝狀,有分叉,單條裂紋長度最大約為12.4 mm,位于彎頭外弧面區(qū)域；彎頭中性面、內(nèi)弧面及兩端焊接接頭區(qū)域未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖2 彎頭密集裂紋

圖3 彎頭表面裂紋

3 理化檢驗

為分析裂紋形成機理,對該彎頭按圖4所示劃分12個區(qū)域,分別進行化學成分分析、金相檢驗及硬度檢測等檢驗檢測項目分析。

圖4 彎頭劃分區(qū)域示意圖

3.1 化學成分分析

采用全定量光譜分析儀抽檢圖4所示彎頭各區(qū)域金屬化學成分,獲取彎頭表面金屬微量元素組分,見表1。由表1知,開挖彎頭中性面、外弧面、內(nèi)弧面各區(qū)域金屬材質(zhì)均為06Cr17Ni12Mo2,微量元素含量滿足GB/T 14976—2012的要求,與設計文件一致,未發(fā)現(xiàn)材料代用；A1～A4、B1～B4、C1～C4等12個區(qū)域各微量元素含量比較均衡,未發(fā)現(xiàn)明顯成分偏析現(xiàn)象。

表1 彎頭金屬主要微量元素含量 %

3.2 金相檢驗

對A1～A4、B1～B4、C1～C4等12個區(qū)域外表面進行金相檢驗；在A2區(qū)域附近沿周向割取40 mm×60 mm樣本,對A2處管壁橫截面進行金相檢驗。在200倍視場下,檢驗區(qū)域金屬顯微組織如圖5和圖6所示。分析區(qū)域的金相組織均為奧氏體[4]+少量碳化物,晶界中存在少量細化碳化物,帶有孿生晶,晶粒度評級6級,符合產(chǎn)品質(zhì)量標準要求。

圖5 外表面金相組織1（200×）

圖6 外表面金相組織2（200×）

在 A1、A2、A4、B1、B2、B4、C1、C2、C4 外表面及A2橫截面的視場中均發(fā)現(xiàn)微觀裂紋,A3、B3和C3分析面未觀察到裂紋,抽檢區(qū)域裂紋全部分布在彎頭外弧面及中性面。外表面微裂紋大多呈放射狀、樹枝狀分布,末端尖細,從晶粒內(nèi)部穿過,部分裂紋在末端沿晶間擴展,分叉少且短小。A2橫截面金相組織及微裂紋形態(tài)與外表面裂紋相似,橫截面裂紋見圖7,裂紋最大擴展深度約3 mm,約為管壁厚度的1/2。

圖7 A2橫截面裂紋

分析各視場中的裂紋形態(tài)可知,開挖彎頭裂紋主要是從外表面晶粒內(nèi)部萌生,少數(shù)裂紋沿晶界萌生,而后不斷向四周及深部擴展,裂紋主體呈穿晶裂紋形態(tài),部分裂紋在末端表現(xiàn)出沿晶特征,為典型氯離子應力腐蝕引起的開裂。

3.3 硬度測定

采用便攜式里氏硬度計測定圖4各區(qū)域金屬硬度,換算成布氏硬度[5],獲取彎頭表面硬度值,見表2。由表2知,彎頭不同區(qū)域硬度值位于155～185 HB區(qū)間,小于201 HB,滿足GB/T 13401—2017的要求。

表2 彎頭布氏硬度值 HB

彎頭外弧面和內(nèi)弧面的硬度值位于175～185 HB區(qū)間,中性面硬度值位于155～157 HB區(qū)間,在同一截面上,外弧面和內(nèi)弧面的硬度值相近,且均高于中性面的硬度值。彎頭成形過程中由于加工硬化等因素影響,外弧面和內(nèi)弧面相對中性面硬度升高,強度增大,脆性增強,塑性降低,由于殘余應力的影響,內(nèi)、外弧面在腐蝕環(huán)境中發(fā)生應力腐蝕開裂的傾向性增強。

4 敷設環(huán)境分析

在開挖坑處檢測開挖彎頭周邊的土壤電阻率、管道自然腐蝕電位、氧化還原電位、土壤氯離子含量等參數(shù)（見表3）,結(jié)合GB/T 21447—2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》的要求,確定土壤腐蝕性等級。根據(jù)表3,采用土壤電阻率[6]指標評判,土壤腐蝕性等級為“強”,采用氧化還原電位指標評判,土壤腐蝕性等級為“較強”,取二者之大者,彎頭處土壤腐蝕性等級為“強”。

表3 敷設環(huán)境腐蝕性檢測指標

查閱資料可知,該段埋地管線未設置陰極保護設施。由表3知,管道自然腐蝕電位為-623 mV cse,位于強腐蝕性環(huán)境,處于不受保護的狀態(tài)。現(xiàn)場取彎頭附近地下滲水,經(jīng)實驗室分析測得滲水中氯離子濃度為0.158 6‰；對該彎頭保溫層進行實驗室分析,保溫層的氯離子濃度為0.231 1‰。地下滲水和保溫層的氯離子濃度遠大于奧氏體不銹鋼對氯離子敏感的上限濃度0.025‰,若奧氏體不銹鋼管道防腐層出現(xiàn)破損,在破損露鐵處極易發(fā)生氯離子應力腐蝕開裂。

5 原因分析及防治措施

5.1 裂紋原因分析

查閱資料可知,開挖彎頭兩側(cè)直管段采用頂管敷設,直管段長分別約110 m、95 m,在管道相交處開挖以彎頭連接,埋深約2 m,彎頭及兩側(cè)補口的防腐層及保溫層由現(xiàn)場制造。該電廠3套燃氣輪機自2019年驗收通過后,受制于附近工業(yè)區(qū)用蒸汽需求量變化,在投用后啟停較頻繁。

機組運行過程中,增壓后的天然氣經(jīng)該管道輸送至燃氣輪機,管壁溫度隨燃氣溫度逐漸上升至60～70 ℃。管道受熱膨脹,在彎頭處產(chǎn)生額外的拘束應力,發(fā)生形變,該部分應力在外弧面表現(xiàn)為拉應力,在內(nèi)弧面表現(xiàn)為壓應力。受機組頻繁啟停的影響,彎頭外防腐層也持續(xù)性經(jīng)受拉伸與壓縮應力的作用,由于防腐層材料與不銹鋼管體熱膨脹系數(shù)的不同,加之施工不規(guī)范等因素,管道外防腐層不可避免地會出現(xiàn)破損露鐵。

在彎頭補口附近,管道聚乙烯防護層搭接處,嚴密性質(zhì)量較差。敷設環(huán)境中高氯離子含量的地下滲水通過聚乙烯防護層的薄弱部位滲入聚氨酯泡沫保溫層,與06Cr17Ni12Mo2不銹鋼外防腐層接觸。機組運行時,管道周邊溫度升高,保溫層內(nèi)溶液蒸發(fā)濃縮；停機時,地下水又滲入保溫層,如此循環(huán)往復,保溫層內(nèi)的氯離子含量越來越高。

綜上分析可知,開挖處彎頭外防腐層發(fā)生破損后,露鐵區(qū)域與經(jīng)過蒸發(fā)濃縮的高濃度氯離子溶液接觸,在06Cr17Ni12Mo2管體露鐵表面發(fā)生應力腐蝕；腐蝕在管道制造、安裝殘余應力及運行的拘束應力共同作用下發(fā)生由外向內(nèi)的開裂；彎頭周邊的強腐蝕性土壤環(huán)境、機組運行時升高的管體表面溫度,加速了腐蝕開裂的進程；根據(jù)金相檢驗視場內(nèi)呈樹枝狀分叉的穿晶或沿晶裂紋可以判斷,該彎頭裂紋為典型的奧氏體不銹鋼氯離子應力腐蝕開裂。

5.2 防治措施

●5.2.1 現(xiàn)場應對措施

為了全面排除該埋地不銹鋼管道類似隱患,對疑似破損點P2也進行了開挖檢測。結(jié)果表明,此處防腐層存在1處較小的破損點,經(jīng)滲透檢測,未發(fā)現(xiàn)管道外表面存有裂紋現(xiàn)像；金相照片顯示無微觀裂紋。結(jié)果表明P2處的管道未發(fā)生氯離子應力腐蝕。

針對P1處已產(chǎn)生氯離子應力腐蝕開裂的彎頭,要求使用單位委托有資質(zhì)的單位選用與設計材質(zhì)一致的彎頭,對其進行更換處理。并委托有資質(zhì)的單位對P1、P2處管道重新進行防腐處理,且經(jīng)電火花檢測合格；對外包覆的高密度聚乙烯防護層接口進行補口處理,防止地下滲水進入保溫層。管道回填后,經(jīng)皮爾遜法檢測,無疑似破損信號。

●5.2.2 日常運行預防措施

預防奧氏體不銹鋼發(fā)生氯離子應力腐蝕的主要措施是避免不銹鋼與氯離子直接接觸。奧氏體不銹鋼埋地管道運行中,應避免頻繁啟停,減少拘束應力集中部位反復經(jīng)受拉伸與壓縮應力的作用次數(shù),降低管道外防腐層產(chǎn)生破損的概率。使用單位應制定巡檢制度,并委托有資質(zhì)的單位定期對其進行防腐層不開挖檢測,如有疑似破損信號點,應及時進行開挖檢測,排除安全隱患。

6 結(jié)論

以某電廠埋地奧氏體不銹鋼燃氣管道90°彎頭外表面裂紋為研究對象,采用無損檢測、理化檢驗、敷設環(huán)境分析等方法,分析其裂紋形成機理,結(jié)果表明：

1)該埋地不銹鋼彎頭裂紋僅存在于中性面和外弧面,內(nèi)弧面無裂紋。而中性面、外弧面和內(nèi)弧面各區(qū)域的化學成分比較均衡,未發(fā)現(xiàn)明顯成分偏析現(xiàn)象,即內(nèi)弧面與中性面、外弧面的各種化學成分含量基本一致,故化學成分不是該彎頭產(chǎn)生裂紋的誘因；

2)該彎頭外弧面和內(nèi)弧面的硬度值相近,且比中性面略高。比較裂紋僅存在于硬度值相近的外弧面、硬度值相近的內(nèi)弧面未產(chǎn)生裂紋這一現(xiàn)象可知,彎頭的硬度性能也不是該彎頭產(chǎn)生裂紋的因素；

3)該埋地不銹鋼彎頭產(chǎn)生裂紋的主導因素是：該彎頭外聚乙烯防護層搭接處的嚴密效果不良,導致敷設環(huán)境含氯離子的溶液進入保溫層,溶液在管道使用中反復蒸發(fā)濃縮,導致保溫層形成高氯離子環(huán)境,而防腐層在管道運行中產(chǎn)生破損點,使得不銹鋼管體直接裸露在高氯離子環(huán)境,發(fā)生了不銹鋼管體與高濃度氯離子溶液直接接觸現(xiàn)象,彎頭在高拘束拉應力和60～70 ℃的環(huán)境相互作用下,加速發(fā)生氯離子應力腐蝕,造成了該埋地不銹鋼彎頭氯離子應力腐蝕開裂,產(chǎn)生了裂紋。