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奧氏體不銹鋼管在柴油介質中的失效分析 

發布時間:2020-05-25

為了找出柴油加氫裝置中一段壁厚2mm、直徑14mm的S31668(316)不銹鋼壓力管泄漏的原因,對開裂的不銹鋼管進行了試驗和分析。結果表明,不銹鋼管泄漏的主要原因是柴油中硫和氯含量高,工作溫度正好在應力腐蝕敏感溫度范圍內,導致不銹鋼管由內向外發生應力腐蝕開裂。此外,絕緣層中的氯離子吸收空氣中的水分形成腐蝕介質,導致應力腐蝕裂紋從外向內擴展。腐蝕介質和內外壁應力的雙重作用導致不銹鋼管開裂。

某石化公司柴油加氫裝置奧氏體不銹鋼壓力管道在運行過程中多次泄漏。經過補焊和補焊處理后,焊接件仍經常發生泄漏,新零件也出現泄漏。管道內介質為柴油,工作壓力為9.0兆帕,工作溫度約為60。不銹鋼管的外部設有保溫層。發生泄漏事故時,不銹鋼管投入使用還不到兩年。筆者分別對不銹鋼管道的泄漏和非泄漏部位進行了取樣分析,并對不銹鋼管道泄漏的原因進行了探討。

1測試和分析

1.1宏觀檢查

截取泄漏的不銹鋼管1200毫米,直徑14毫米,壁厚2毫米。顯示補焊后的宏觀形貌如圖1??梢钥闯?,補焊區涂層沒有被清除,具有表面孔隙,并且具有不良的焊接形成。外壁上有腐蝕產物、銹斑和劃痕。內壁上有淺黑色腐蝕產物斑點。不銹鋼管外壁的滲透試驗表明,表面有一條開口裂紋。

1.2化學成分

用德國光譜實驗室直讀光譜儀對不銹鋼管材料進行了分析。結果如表1所示??梢?,不銹鋼管的化學成分符合GB/T14976-2012對S31668(316)不銹鋼的要求。

1.3機械性能

樣品取自不銹鋼管的完整部分,用于常溫拉伸試驗。結果如表2所示。不銹鋼管規定的塑性拉伸強度、拉伸強度和斷裂后伸長率均滿足GB/T14976-2012對S31668的要求。

1.4鐵氧體測量

鐵氧體含量的測定結果如表3所示(測量6組數據,取最大值和平均值)。補焊區鐵素體含量的平均值為3.75%。不銹鋼管的補焊區鐵素體含量明顯高于熱影響區和基體。補焊區鐵素體含量的增加降低了材料的耐腐蝕性。

1.5 金相檢查

來自金相, 補焊區的樣品1的結構為奧氏體鐵素體(圖3),裂紋從外壁延伸到內壁,裂紋在補焊區。裂紋發生在補焊區地區,表明補焊對不銹鋼管沒有修復作用。

不銹鋼管裂紋附近的金相樣品2的未腐蝕形貌如圖4表明有從內壁向外壁延伸的分支。

像裂縫一樣。蝕刻后的金相結構如圖5表明,金相結構為奧氏體結構,含少量鐵素體,裂紋貫穿整個截面,具有更明顯的穿晶形貌,具有典型的應力腐蝕開裂特征。

1.6斷裂掃描和能譜分析

內壁如圖6的腐蝕形態表明,由于介質的作用,存在均勻腐蝕、點腐蝕、溝不銹鋼無縫管槽腐蝕和微裂紋形態。外壁如圖7的外觀表明宏觀劃痕處有大量腐蝕產物。

顯示了裂紋張開后金相樣品2的宏觀形態如圖8a。近內壁區呈現出典型的應力腐蝕開裂的河流模式(圖8b);中間區長著羽毛(圖8c);近外壁區,有一個酒窩,那就是斷裂區,

能譜分析結果表明內壁存在硫和氯。內壁附近斷口中硫和氯的含量很高,分別達到13.4%和2.29%。外壁中硫和氯的含量在內壁和內壁附近的裂縫之間。能譜分析表明,裂紋主要是由內向外擴展的氯應力腐蝕裂紋,也有由外向內擴展的應力腐蝕裂紋。

2分析結果的討論

眾所周知,不銹鋼的應力腐蝕需要三個基本條件,即敏感合金(材料因素)、特定介質(環境因素)和拉伸應力(機械因素)[1]。

不銹鋼管材質為S31668(316),相當于中國的奧氏體不銹鋼。溫州不銹鋼管根據化學成分分析,不銹鋼管所選材料的化學成分符合S31668(316)的要求,為氯化物和硫化物敏感的合金材料。導致鉻鎳奧氏體不銹鋼應力腐蝕的介質很多。一般來說,氯化物影響最大。硫化氫水溶液和多硫酸也是應力腐蝕介質[2,3]。不銹鋼管介質(柴油)含有大量氯化物和硫化物,符合不銹鋼腐蝕的特定介質(環境因素);不銹鋼管的外壁上有一層絕緣層,其中含有某些氯化物。絕緣層損壞后,吸收空氣中的水分形成腐蝕介質,這也符合不銹鋼腐蝕的特定介質(環境因素)。不銹鋼管道的工作壓力為9.0兆帕,承受環向拉應力,符合不銹鋼的腐蝕力學性能。

根據金相,的顯微觀察,裂紋貫穿管道的整個壁面,并沿厚度方向由內向外延伸,呈樹枝狀,有主干和分支。裂紋主要穿過晶體。補焊區地區也出現了沿厚度方向由外向內延伸的裂縫。


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