304 不锈钢管线腐蚀开裂原因分析

文佳卉

（独山子石化公司研究院，新疆 独山子 833600）

由于具有优良的耐蚀性及综合力学性能，铬镍奥氏体不锈钢在工程中应用越来越广泛。同时，许多学者对不锈钢应力腐蚀开裂的研究日益广泛和深入,并取得了相当大的进展。应力腐蚀裂纹常导致不锈钢构件在低于设计应力、没有任何明显宏观变形和不出现任何征兆的情况下突然迅速破裂,这不仅会造成巨大危害,也严重妨碍了不锈钢的进一步推广和应用。

1 情况概述

某装置汽提单元自开工以来，位于汽提泵出口管线的光学视镜石棉垫片多次发生泄漏。最近一次因泄漏更换石棉垫片后，发现视镜下部管段仍有液体介质漏出，拆开保温后发现视镜下部管段已开裂。开裂管段材质为304 不锈钢，规格Ф114×5mm。管线操作温度100℃左右、压力0.4MPa，外部有保温层。内部介质为含有氯化钙的胶粒水，其中氯离子含量约为38 ～54mg/L。

为了查明裂纹性质及产生原因，采取相应的防范措施，在失效部位进行取样进行检测分析。

2 检查情况

2.1 宏观检查

通过检查发现，开裂管段外壁有很多呈枯树枝状的裂纹,裂纹开裂方向既有沿轴向的，也有沿环向的，裂纹处及管段整体未见明显变形，如图1 所示。沿管段开裂部位横向截断，观察裂纹处的管壁横断面，可见裂纹从外壁表面沿纵深方向扩展,其中主裂纹已经穿透，如图2 所示。

图1 开裂管段外表面裂纹

图2 开裂管段管壁横断面

如图3 所示开裂管段的内表面光滑，无腐蚀痕迹，除裂纹部位外均保持原始加工表面。将裂纹打开，观察裂纹的断面，可以看到断裂方向基本垂直于表面，断口平齐，表面为粗瓷状，裂纹断面由管段外表面的黑棕色向内表面过渡为棕灰色。断口呈脆性断裂特征，如图4 所示。

图3 开裂管段内表面裂纹

图4 裂纹断面

2.2 材质检测

对开裂管段采用SPECTROLAB 直读光谱仪进行元素成分分析，测定所用材料相当于304SS，符合相关标准要求。实际测定结果如表1。

表1 材料化学成分(质量分数/%)

2.3 硬度检测

对开裂管段的裂纹附近部位进行硬度测试，其硬度平均值为179.3HV，硬度值在允许范围内，接近最高值。

2.4 金相检查

图5 开裂管段断面的裂纹形态

图6 沿晶和穿晶混合裂纹

对开裂管段轴向上的裂纹切取试样进行金相组织分析，试样金相组织为奥氏体，晶粒均匀。观察开裂管段断面的裂纹微观形态，可见裂纹均从管段外表面向内表面扩展，而且主裂纹旁边出现旁枝裂纹，呈枯树枝状，详见图5。裂纹断裂形式为穿晶+沿晶断裂，以穿晶断裂为主，属于典型的应力腐蚀失效特征，详见图6。

3 管段开裂原因分析

3.1 腐蚀环境分析

胶粒水中含有作为分散剂的氯化钙，在光学视镜石棉垫片泄漏时，一定量的胶粒水渗入保温层，一部分胶粒水直接渗透接触到管线外表面，由于管线温度达到100℃左右，使胶粒水浓缩，大量氯离子在管段外表面聚集。另一部分胶粒水蒸发成含有氯离子的水蒸气，含氯离子的水蒸气与管线外表面接触，形成局部的蒸汽+氯离子的应力腐蚀环境。而304 奥氏体不锈钢对含有氯离子的腐蚀介质具有敏感性，在高浓度氯离子作用下和大气环境下，在管段外表面产生了发生应力腐蚀破裂的腐蚀条件。

另外，对于该管段内表面，胶粒水介质中氯离子含量约为38 ～54mg/L，但由于管段内表面光滑，介质处于流动状态，不易形成局部氯离子聚集。同时，该管段应力水平相对较低，故管段内表面不具备发生应力腐蚀破裂的条件。

3.2 应力分析

从管线的工况分析可知，首先，泵工作时管线承受约0.4MPa 的内压，使管段外表面处于承受环向拉应力的状态；其次，在整个管线系统中存在管系应力：如温差应力、弯曲应力、管段法兰安装时的拘束应力等；最后，开裂管段的硬度值接近合格范围值上限，硬度值偏高，可以判定管段经过固溶热处理后存在一定的残余应力。从金相组织分析，裂纹为穿晶+沿晶形态，表明总体应力水平较低。但以上多种应力叠加后在管段外表面形成环向、轴向等多方向复杂的拉应力状态。而应力腐蚀的开裂方向与管段所受应力的方向有关，一般沿应力垂直的方向扩展，故在该开裂管段表面形成了多方向的开裂形貌。

3.3 管段材质分析

汽提单元管线材料为304 奥氏体不锈钢，而304 奥氏体不锈钢是氯离子应力腐蚀的敏感材料。在环境中，氯离子含量达到一定值时，极易发生低应力腐蚀实效。

4 建议采取措施

（1）用户正确安装光学视镜，防止视镜的石棉垫片处频繁泄漏。日常巡检注意跑、冒、滴、漏现象。

（2）用户调整氯化钙的加入量，或使用不含氯离子的分散剂。

（3）汽提系统管线材质应更换为氯离子应力腐蚀敏感性低的材料（如双相钢2205）。

5 结语

汽提6503 泵的出口胶粒水管线开裂缘于304 奥氏体不锈钢在含氯离子环境下的低应力腐蚀失效。光学视镜的石棉垫片泄漏是造成本段管线外表面氯离子富集并最终形成应力腐蚀失效的主要原因，设计时采用不抗氯离子应力腐蚀的304 奥氏体不锈钢是管段应力腐蚀失效的次要原因。