316L不銹鋼管在柴油介質(zhì)中的失效分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司為查明柴油加氫裝置中一段14mm、壁厚2mm的316L不銹鋼管的泄漏原因，對(duì)開裂失效的316L不銹鋼管進(jìn)行了檢測(cè)分析。結(jié)果表明: 316L不銹鋼管泄漏的主要原因是柴油中硫、氯含量較高，工作溫度又恰好在應(yīng)力腐蝕敏感溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)致不銹鋼管發(fā)生了由內(nèi)向外的應(yīng)力腐蝕開裂。此外，保溫層中的氯離子吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質(zhì)，產(chǎn)生由外向內(nèi)擴(kuò)展的應(yīng)力腐蝕開裂。內(nèi)外壁腐蝕性介質(zhì)和應(yīng)力的雙重作用導(dǎo)致不銹鋼管的開裂。

 某石化公司柴油加氫裝置的一段316L不銹鋼管，在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生多處泄漏，在經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊修復(fù)處理后，焊接部位仍頻發(fā)泄漏，并且泄漏又在新的部位發(fā)生。管內(nèi)介質(zhì)為柴油，操作壓力為9.0MPa，操作溫度約60℃。不銹鋼管的外部有保溫層。該不銹鋼管發(fā)生泄漏事故時(shí)，投入運(yùn)行不到兩年。筆者對(duì)不銹鋼管泄漏部位和未泄漏部位分別取樣分析，探討了不銹鋼管泄漏的產(chǎn)生原因。

一、試驗(yàn)與分析

 1. 宏觀檢查

 截取發(fā)生泄漏的316L不銹鋼管1200mm，其直徑為14mm，壁厚為2mm。補(bǔ)焊后宏觀形貌如圖所示。可見，補(bǔ)焊區(qū)藥皮沒有清理干凈，有表面氣圖補(bǔ)焊后宏觀形貌及金相取樣部位孔，且焊接成型不良。外壁存在腐蝕產(chǎn)物和銹斑，并且有劃傷的痕跡;內(nèi)壁局部有淺黑色腐蝕產(chǎn)物斑痕。對(duì)不銹鋼管的外壁進(jìn)行滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在一條表面開口裂紋，如圖所示。

 2. 化學(xué)成分

 采用德國(guó)SPECTＲOLAB直讀光譜儀對(duì)不銹鋼管的材料進(jìn)行了光譜分析，結(jié)果見表，可以看出，不銹鋼管化學(xué)成分符合GB/T14976-2012對(duì)S31668(316)不銹鋼的要求。

 3. 力學(xué)性能

 在316L不銹鋼管完好部位取樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表。不銹鋼管的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均符合GB/T14976-2012對(duì)S31668的要求。

 4. 鐵素體測(cè)量

 鐵素體含量測(cè)定結(jié)果見表(測(cè)6組數(shù)據(jù)，取最大值和平均值)，補(bǔ)焊區(qū)的鐵素體含量平均值是3.75%，不銹鋼管的補(bǔ)焊區(qū)鐵素體含量明顯高于熱影響區(qū)和基體的含量，補(bǔ)焊區(qū)鐵素體含量的增加降低了材料的耐腐蝕性能。

 5. 金相檢驗(yàn)

 補(bǔ)焊區(qū)金相樣品的組織為奧氏體+δ鐵素體，存在由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展的裂紋，裂紋在補(bǔ)焊區(qū)內(nèi)。補(bǔ)焊區(qū)域產(chǎn)生裂紋，說(shuō)明補(bǔ)焊對(duì)不銹鋼管沒有起到修復(fù)作用。在不銹鋼管裂紋附近取金相樣品的未浸蝕形貌如圖所示，存在由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展的樹枝狀裂紋。浸蝕后的金相組織如圖所示，金相組織為奧氏體+少量鐵素體，裂紋貫穿于整個(gè)橫截面，穿晶形態(tài)更加明顯，具有應(yīng)力腐蝕開裂的典型特點(diǎn)。

 6. 斷口掃描與能譜分析

 316L不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕形貌如圖所示，由于介質(zhì)的作用，呈現(xiàn)均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、溝槽狀腐蝕和微裂紋的形態(tài)。外壁形貌如圖所示，宏觀劃傷處存在大量腐蝕產(chǎn)物。金相樣品沿裂紋打開后的宏觀形貌，如圖所示，近內(nèi)壁區(qū)呈現(xiàn)河流狀花樣，為典型的應(yīng)力腐蝕開裂特點(diǎn)，中間區(qū)為羽毛狀花樣，近外壁區(qū)存在韌窩，為塑性斷裂區(qū)。該規(guī)律說(shuō)明由于介質(zhì)原因，不銹鋼管由內(nèi)壁向外壁呈脆性遞減趨勢(shì)。能譜分析結(jié)果顯示內(nèi)壁有硫、氯存在;靠近內(nèi)壁斷口硫、氯含量非常高，硫含量達(dá)到13.4%，氯含量達(dá)到2.29%;外壁硫、氯含量介于內(nèi)壁和靠近內(nèi)壁斷口之間。能譜分析表明裂紋主要是由內(nèi)向外擴(kuò)展的氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋，也存在由外向內(nèi)擴(kuò)展的應(yīng)力腐蝕開裂。

二、分析結(jié)果討論

 眾所周知，不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕需要3個(gè)最基本的條件，即敏感的合金(材料因素)、特定的介質(zhì)(環(huán)境因素)和拉伸應(yīng)力(力學(xué)因素)。不銹鋼管選用的材料為S31668(316)，對(duì)應(yīng)我國(guó)的022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼。根據(jù)化學(xué)成分分析可知，該不銹鋼管選用材料的化學(xué)成分符合S31668(316)的要求，是氯化物和硫化物敏感合金材料。能夠引起Cr-Ni奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)很多，一般來(lái)說(shuō)，氯化物的影響最大;硫化氫水溶液、連多硫酸也是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)。316L不銹鋼管的介質(zhì)(柴油)中含有大量氯化物以及硫化物，符合不銹鋼腐蝕特定介質(zhì)(環(huán)境因素);不銹鋼管外壁有保溫層，保溫層中含有一定的氯化物，保溫層破損后，吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質(zhì)，也符合不銹鋼腐蝕特定介質(zhì)(環(huán)境因素)。不銹鋼管道的操作壓力為9.0MPa，受到環(huán)向拉應(yīng)力作用，符合不銹鋼腐蝕力學(xué)性能因素。

 根據(jù)金相顯微觀察，裂紋貫穿整個(gè)管壁，沿厚度方向由內(nèi)向外擴(kuò)展，呈現(xiàn)樹枝狀，既有主干，又有分枝，裂紋以穿晶擴(kuò)展為主。補(bǔ)焊區(qū)域也產(chǎn)生了裂紋，沿厚度方向由外向內(nèi)擴(kuò)展。裂紋掃描電鏡觀察表明，裂紋以穿晶形式擴(kuò)展并帶有分叉，微觀斷口形貌具有解理或準(zhǔn)解理特征，可觀察到大量的河流狀花樣、羽毛狀花樣和韌窩形貌，斷口上可見明顯的二次裂紋。不銹鋼管能譜分析表明，靠近內(nèi)壁斷口硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)13.4%，氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)2.29%，外壁硫、氯含量高于內(nèi)壁。介質(zhì)中的氯化物和硫化物對(duì)不銹鋼管的不斷腐蝕，形成了由內(nèi)向外擴(kuò)展的裂紋;外壁保溫層中的氯吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質(zhì)，對(duì)316L不銹鋼管不斷腐蝕，補(bǔ)焊后，焊接部位的工作應(yīng)力殘余應(yīng)力降低了材料的抗腐蝕能力，在氯的作用下產(chǎn)生由外向內(nèi)擴(kuò)展的裂紋。最終在內(nèi)外壁不利因素的雙重作用下，導(dǎo)致316L不銹鋼管的開裂失效。

三、結(jié)束語(yǔ)

 經(jīng)分析可知S31688(316)不銹鋼管泄漏原因?yàn)椴裼椭辛?、氯含量較高，工作溫度又恰好在應(yīng)力腐蝕敏感溫度范圍內(nèi)，使316L不銹鋼管發(fā)生由內(nèi)向外的應(yīng)力腐蝕開裂;保溫層中含有的氯離子吸收空氣中的水分，形成腐蝕性介質(zhì)，產(chǎn)生由外向內(nèi)擴(kuò)展的應(yīng)力腐蝕開裂;在內(nèi)外壁的腐蝕性介質(zhì)及應(yīng)力的雙重作用下，導(dǎo)致不銹鋼管的開裂失效。