摘 要:某公司尿素裝置蒸發系統入口管道在服役過程中發生泄漏,采用宏觀觀察、滲透檢測、 化學成分分析、金相檢驗、掃描電鏡和能譜分析等方法分析了其泄漏原因。結果表明:管外壁保溫 層中含氯離子,雨水的浸濕使管壁與導熱泥的縫隙中形成了潮濕環境,干濕交替環境導致氯離子在 管壁富集,引起管壁點腐蝕和氯化物應力腐蝕開裂。 

關鍵詞:管道;點腐蝕;應力腐蝕開裂;泄漏 

中圖分類號:TB31;TB304;TG115.2         文獻標志碼:B                文章編號:1001-4012(2023)06-0059-04

某公司尿素裝置蒸發系統入口管道在投入運行 3周后發生泄漏。泄漏管道規格(外徑×壁厚)為 219.1mm×3.76mm,材料為304L不銹鋼,設計壓 力為0.18MPa,操作壓力為0.03MPa,設計溫度為 132℃,操作溫度為102℃。泄漏部位靠近主框架 二樓樓板西側邊緣部位,泄漏管段設有伴熱管,伴熱 管在上,主管道在下,兩管之間間距為50mm,且由 導熱泥填充,管外壁包覆有保溫層。經外觀觀察,管 道支撐完好且安裝穩固、無變形,但保溫層外圈鐵皮 搭接不良,存在翹曲、縫隙、保溫棉外露、密封不嚴等 情況。拆除管道保溫層和導熱泥后,發現漏點位于 保溫層翹曲部位,漏點處有微裂紋,裂紋沿管軸向分 布,周邊存在腐蝕坑,其余管段完好,未發現腐蝕坑、 裂紋等缺陷。 

筆者采用宏觀觀察、滲透檢測、化學成分分析、 金相檢驗、掃描電鏡(SEM)及能譜分析等方法對蒸 汽管道的泄漏原因進行了分析,并提出了合理的預 防措施,以防止該類問題再次發生。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察及滲透檢測 

在泄漏管段截取一段進行分析,泄漏管段外壁 腐蝕坑較為密集,且坑內充滿黑色垢物,腐蝕坑、裂 紋均位于導熱泥覆蓋區域,該部位與外層保溫鐵皮 搭接不良,存在翹曲;管內壁呈灰色,無明顯氧化和 腐蝕的痕跡,且附著有少量灰色的粉末狀垢物,其為 管內介質中殘留的固體顆粒。泄漏管段斷口宏觀形 貌如圖1所示。對泄漏管段內、外壁進行滲透檢測, 結果如圖2所示。外壁腐蝕坑區域存在裂紋,裂紋 呈樹枝狀,存在較多細小的分支,并與腐蝕坑連接,裂紋主要呈縱向分布,與之對應的內壁部位僅存在 短小裂紋,裂紋呈斷續狀,且無腐蝕坑,由此可以判 斷,泄漏起源于管道外壁。測量壁厚后,發現泄漏區 域管壁未發生明顯減薄,管壁也無塑性變形。

1.2 化學成分分析 

對泄漏管段的化學成分進行分析,結果如表1 所示,由表1可知:該管段的化學成分符合 GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》 的要求。

1.3 金相檢驗 

管道失效的形式以腐蝕和開裂為主,不銹鋼的 組織決定其耐腐蝕性和開裂敏感性,如敏化組織、形 變組織會降低材料的耐腐蝕性,增加其開裂敏感性。 在泄漏管道上截取試樣,將試樣置于光學顯微鏡下 觀察,結果如圖3所示。管段內非金屬夾雜物呈鏈 狀分布,夾雜物級別為B1.0級,滿足技術要求;試樣 組織為奧氏體+析出相,析出相呈條帶狀、鏈狀,沿 管軋制方向分布,管壁組織正常。在裂紋部位截取 試樣,將其置于光學顯微鏡下觀察,可見裂紋起源于 管外壁,呈樹枝狀向內壁擴展,并存在細小分叉,裂 紋附近呈“湖泊狀”形貌,這是由介質在裂紋內富集 并發生腐蝕所產生的。 

1.4 掃描電鏡和能譜分析

斷口表面呈褐色,存在從外壁向內壁擴展的條 紋,斷面粗糙,存在金屬小顆粒。對泄漏管段斷口試 樣進行掃描電鏡分析,結果如圖4所示,由圖4可 知:啟裂區呈發散狀,并向腐蝕坑集中,裂紋源為外 壁腐蝕坑;擴展區和裂紋尖端均存在河流狀花樣,呈解理開裂特征,符合氯化物應力腐蝕開裂特征[1-2]。 

為了進一步分析管道泄漏的原因,采用能譜儀 對外壁、裂紋面及內壁垢物的成分進行分析,結果如 圖5所示。由圖5可知:內、外壁垢物中均含有硫元 素,而斷面垢物中無硫元素,說明硫元素在裂紋內未 發生富集;內壁垢物中未檢出氯元素,外壁和裂紋面 垢物中均存在氯元素,而且裂紋面垢物中氯元素的 質量分數約為1.30%,外壁垢物中氯元素的質量分 數為0.37%,說明氯離子來源于管外壁,且在裂紋 內發生了富集。

泄漏點位于二樓樓板西側邊緣,管道投入使用 后,因保溫層密封不嚴,雨水滲入保溫棉并在導熱泥 與管道接觸的縫隙部位聚集,形成潮濕環境,使管道 材料發生氯化物點腐蝕和應力腐蝕開裂[3-4]。

2 綜合分析 

2.1 裂紋形態及擴展機制分析 

裂紋起源于管外壁腐蝕坑,呈樹枝狀,沿壁厚方 向沿晶擴展。裂紋面附近管壁無塑性變形,裂紋面 呈解理開裂特征,這些均是氯化物應力腐蝕開裂的 典型特征,且外壁垢物和裂紋面垢物中均檢測出氯 離子。不銹鋼應力腐蝕開裂是材料、環境和應力三 者相互作用的結果[5-6],不銹鋼表面有一層氧化膜, 對基體有一定的保護作用,但在氧化膜破損的情況 下,裸露的金屬基體與其周邊氧化膜的成分存在差 異,有電位差,在潮濕環境中容易發生電化學腐蝕, 破損部位為陽極,鈍化膜為陰極,隨著時間的推移, 氧化膜破損部位就形成了宏觀腐蝕坑。氯離子在腐 蝕坑內發生聚集,并引起應力集中,導致管道發生氯 化物應力腐蝕開裂。

2.2 應力腐蝕產生條件 

由泄漏管道內壁和外壁、裂紋面垢物的能譜分 析結果可知,氯元素來自于管道外壁;管道外壁包覆有保溫棉,保溫棉和導熱泥均有可能富集氯離子。 采用滴定法對保溫棉和導熱泥中的氯離子含量進行 測定,結果顯示:保溫棉中含有氯離子,而導熱泥中 未檢測出氯離子,說明管道外壁腐蝕坑內、裂紋面中 的氯離子來源于管道外的保溫層。

水是引起氯化物應力腐蝕開裂的必要條件,在 沒有水時,保溫材料中的鹽類不能水解形成離子,不 銹鋼也不會發生點腐蝕和應力腐蝕開裂。

氧化膜的破裂和腐蝕坑內裂紋的萌生、擴展都 離不開應力的作用,尤其是拉應力。管道與地面平 行布置,正常運行時,管道主要承受環向應力和軸向 應力,經計算,管內壓力為0.03MPa(操作壓力)時, 管壁承受的環向拉應力為0.8741MPa,軸向拉應 力為0.4297MPa,環向拉應力約為軸向拉應力的2 倍,因此管道的開裂方向以軸向擴展為主,這與宏觀 觀察和金相檢驗結果一致,裂紋擴展方向與較大拉 應力方向垂直。 

在溫度較低的含氯環境下,304L不銹鋼主要發 生點腐蝕,溫度較高時(≥60 ℃)主要發生應力開裂,且隨著溫度的升高,開裂敏感性越高。

3 結語與建議 

管道外壁保溫層發生損壞,保溫棉中滲入雨水, 保溫棉中的氯離子在管壁表面富集,主管道與導熱 泥之間的縫隙中殘留的水分蒸發速率慢,形成閉塞 環境,雨天與晴天使管壁出現干濕交替,縫隙處的管 壁優先發生點腐蝕,腐蝕坑底部易產生應力集中,萌 生微裂紋。在潮濕及溫度不小于60℃的環境中,管 道在拉應力作用下發生了應力腐蝕開裂,這是導致 管道泄漏的主要原因。建議采用以下方法預防管道 泄漏。

(1)盡量選擇不含氯離子的保溫棉,從源頭上 杜絕氯化物應力腐蝕開裂。 

(2)在管道投入使用前,對其進行全面檢驗,包 括保溫層是否完好,管道是否支撐牢固、可靠等,避 免管道承受不必要的外加應力及可能出現的外來介 質(如雨水、雪水及周邊設備噴出物)腐蝕,尤其需要 對平臺邊緣管道的保溫層進行檢查,保證管道外部 環境的干燥和潔凈。 

(3)后期檢驗時,可采用目視檢測、紅外熱成像 檢測對管道保溫層的完好狀況進行檢查,必要時可 先拆除保溫層,再對管道進行全面檢驗[7-8]。

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<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 6期 (pp:59-62)>