316L不锈钢输油管泄漏原因分析

涂建国,江俊灵,曾 平,张智寰,王 鑫,王美淑,莫玉华,徐鹏飞,李 虹

(深圳市八六三新材料技术有限责任公司,广东 深圳 518117)

316L不锈钢属于奥氏体不锈钢,添加Mo元素极大地提高了其抗点蚀能力,具有良好的塑性、耐蚀性、耐热性、低温强度与机械特性,冲压弯曲热加工性好,无热处理硬化现象,耐海洋和侵蚀性工业大气的腐蚀[1]。某输油管道公司提供了热媒膨胀罐中使用的输油管泄漏部件,其工况条件为:材质为316L不锈钢无缝管,硬度≤220 HV,设计压力>200 kPa。该批部件不锈钢输油管在漏点排查时发现穿孔泄漏,对不锈钢输油管泄漏原因进行检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观检验

采用奥林巴斯DSX1000光学数码显微镜观察不锈钢输油管泄漏区域内、外表面,表面均有龟裂状细纹,无可视的泄漏孔洞,如图1所示。

图1 不锈钢输油管宏观图Fig.1 Macroscopic appearance of the stainless steel petroleum pipeline

1.2 工业CT观察

采用尼康XTH225ST计算机断层扫描系统对不锈钢输油管进行CT观察,观察到泄漏裂纹呈长条状,沿管轴线方向分布,见图2(a)。在裂纹不同位置截取试样,观察条形裂纹深度变化,裂纹由条形端部向中间扩展,深度不断增大至裂透管壁,见图2(b)。

(a)裂纹整体形貌;(b)裂透至内表面图2 不锈钢输油管的CT检查(a)overall morphology of crack; (b)crack to the internal surfaceFig.2 CT inspection of the stainless steel petroleum pipeline

1.3 金相观察

对不锈钢输油管取样进行金相磨制,采用Leica DM LM光学金相显微镜观察试样金相组织。试样显微组织为奥氏体,部分晶内有孪晶,平均晶粒截距为47.34 μm,晶粒度5.5级,见图3(a)。输油管内存在小裂纹,裂纹方式为穿晶开裂,见图3(b)。试样非金属夹杂物为:A0,B2.0,C1.0,D0(A为硫化物夹杂,B为氧化铝夹杂,C为变形硅酸盐夹杂,D为球状夹杂)。

(a)显微组织;(b)裂纹形貌图3 不锈钢输油管的显微组织(a)microstructure; (b)crack morphologyFig.3 Microstructure of the stainless steel petroleum pipeline

1.4 微区成分分析

不锈钢输油管泄漏位置经超声波清洗后,采用TESCAN MIRA3场发射扫描电子显微镜进行显微组织观察和微区成分分析。不锈钢输油管内、外表面均存在腐蚀产物,腐蚀形态为晶间腐蚀,未观察到裂纹泄漏位置,见图4(a)和4(b)。同时对微区腐蚀产物进行成分分析,腐蚀产物中含有元素碳、氧、铁、氯、硅、硫、钙、镁和铬等元素,见图4(c)和4(d)。

(a)外表面SEM形貌; (b)内表面SEM形貌;(c)外表面EDS;(d)内表面EDS图4 不锈钢输油管的SEM形貌和EDS成分分析(a)SEM morphology of outside surface; (b) SEM morphology of inside surface;(c) EDS of outside surface; (d) EDS of inside surfaceFig.4 SEM morphology and EDS analysis of the stainless steel petroleum pipeline

1.5 化学成分分析

采用赛默飞世尔ARL 3460直读光谱仪对不锈钢输油管进行化学成分分析,结果见表1。由表1可知,其化学成分不符合标准ASTM A276—2017 不锈钢棒材和型材中316L的技术要求[2],磷元素偏高。

表1 不锈钢输油管的化学成分(质量分数,%)

1.6 力学性能测试

采用Buehler MicroMet 5103显微硬度计对不锈钢输油管进行维氏硬度测试,结果见表2。由表2可知,其维氏硬度符合标准GB/T 13296—2013锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管中奥氏体型的技术规格要求(≤220 HV)[3]。

表2 维氏硬度测试结果(HV)

采用三思纵横UTM5105电子万能试验机对不锈钢输油管进行力学性能测试,结果见表3。由表3可知,其力学性能符合标准GB/T 13296—2013锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管中S31603不锈钢的技术规格要求。

表3 力学性能测试结果

2 分析与结果

通过对不锈钢输油管泄漏区和未泄漏区进行化学成分分析,发现其化学成分不符合标准ASTM A276—2017不锈钢棒材和型材中316L的技术要求,磷元素偏高。磷元素为有害杂质元素,磷含量增加会对不锈钢的耐腐蚀性和冲压性产生不利影响。腐蚀从不锈钢表面开始,沿晶界向内部发展,腐蚀速度随磷含量的增加而增加[4-5]。

维氏硬度和力学性能测试结果表明,不锈钢输油管泄漏区和未泄漏区显微硬度非常接近,其结果均符合标准GB/T 13296—2013锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管中S31603奥氏体型不锈钢的技术规格要求。

对不锈钢输油管进行金相组织观察,非金属夹杂物中B类氧化物类夹杂为2.0级,属于洁净度较差的钢材,尤其在薄壁压力容器上必须谨慎使用。同时,油管裂纹从外表面向内部发展,裂纹起始处裂纹宽约10 μm,与工业CT的观察结果一致。通过观察裂纹与晶粒之间的扩展方式,裂纹为穿晶开裂[6]。

通过对不锈钢输油管泄漏区域进行SEM形貌观察和EDS微区成分分析,发现不锈钢内、外表面均存在腐蚀产物,腐蚀产物中含有碳、氧、铁、氯、硅、硫、钙、镁和铬等元素,其中腐蚀性元素氯和硫来自于输油管内的油品。不锈钢输油管内、外表面在油介质中发生了电化学腐蚀,其腐蚀方式为晶间腐蚀。泄露发生在输油管弯管位置,该区域弯曲加工时存在由塑性变形产生的残余应力,且在工作中承受油压所产生的应力作用,在应力及腐蚀介质的共同作用下,在表面晶间腐蚀区易产生应力腐蚀裂纹源。根据裂纹截面形貌观察,裂纹扩展方式为穿晶扩展,最终引起穿晶开裂[7-9]。

综上所述,不锈钢输油管在弯管区域发生泄漏,这与不锈钢输油管在制造过程中由加工硬化产生较大的残余应力有关。在投入使用后,在油介质及高温工作环境下,表面发生晶间腐蚀及应力腐蚀裂纹,裂纹在使用中继续扩展,最终导致输油管泄漏。

3 改进措施

针对不锈钢输油管泄漏的原因,提出以下改进措施:

1)更改加工工艺,不锈钢输油管道在弯曲成型后进行去应力处理;

2)改变工作环境(温度和介质等),在工艺条件允许的范围内添加缓蚀剂,也可在管道表面涂覆防腐涂层;

3)控制油介质中Cl-1含量不超过25 mg/L,能有效减轻腐蚀的产生,降低应力腐蚀发生的风险。

按照上述措施对316L不锈钢输油管加工工艺进行改进后,未发生泄漏情况。