TP321H不锈钢氯离子应力腐蚀开裂分析

蒸汽和水的交替变换也会有助于丌裂，临界氯离子
量的Ｃｌ元素。其中，Ｓ２一质量分数最高值为５．１３％，
浓度随着温度上升而减小，高温情况下，氯离子质量
Ｃｌ一质量分数最高值为１．５５％。
浓度只要达到ｌ ｍｇ／Ｌ，即能引起破裂。应力可以是
万方数据
石、油化工设备
２０１０年第３９卷
表２两个区域ＥＤＳ能谱分析结果
ｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｎｇ．Ｆａｉｌ．Ａｎａｌ．，２００７，（１４）：１５５０—１５７３． ［５３王忠庆．苯酐换热器应力腐蚀开裂原因分析［Ｊ］．石油
化工设备，２００９，３８（１）：９６—９７． ［６］谢培军，尚立蔚，邓海燕，等．预热器应力腐蚀开裂分析
及措施［Ｊ］．石油化工没备，２００９，３８（增）：７０—７２． ［７３罗纯东．奥氏体不锈钢炉体应力腐蚀破裂失效分析
0环境中不锈钢的应力腐蚀开裂在hcl一hsho环境中化工设备典型的腐蚀部位为常压塔顶部5层塔盘塔体部分挥发线常压塔顶冷凝冷却系统该部位腐蚀最为严重减压塔部分挥发线和冷却系统加氢精制装置的不锈钢冷却设备甲醛装置水冷却器聚酯装置中泵冷却器以及维纶抽丝装置中醛化液系统1
第３９卷第４期 ２０１０年７月
文章编号：１０００—７４６６（２０１０）０４—０１００—０３
织、断口形貌观察以及微区ＥＤＳ能谱分析。结果表明，穿透性裂纹是由于不锈钢氯离子应力腐蚀
所引起。
关键词：ＴＰ３２１Ｈ不锈钢；氯离子应力腐蚀；管件；开裂
中图分类号：ＴＧ １７２．９
文献标志码：Ｂ
Ｃｈｌｏｒｉｄｅ－ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＴＰ３２ １ Ｈ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｇ－ｌｅ
Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ［Ｊ－Ｉ．Ｅｎｇ．
Ｆａｉｌ．Ａｎａｌ．，２００８，（１５）：４９７—５０４；
［４］
Ｓｈｉｐｉｌｏｖ Ｓ Ａ．Ｓｏｌｖｉｎｇ Ｓｏｍｅ Ｋｅｙ Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ Ｕｓｉｎｇ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｓ—
石油化工设备 ＰＥＴＲｏ？ＣＨＥＭＩＣＡＩ。ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
ＶｏＬ ３９ ＮＯ．４ Ｊｕｌｙ ２０１０
ＴＰ３２１ Ｈ不锈钢氯离子应力腐蚀开裂分析
张明乐 （中国石化青岛炼油化工有限责任公司，山东青岛 ２６６５００）
●
摘要：对加氢预处理热高分仪表引压管所发生穿透性裂纹进行了详细分析，包括化学成分、金相组
（Ｓｉｎｏｐｅｃ Ｑｉｎｇｄａｏ Ｒｅｆｉｎｉｎｇ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ＴＰ３２１ Ｈ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｐｅｎｅｔｒａｔｅｄ ｃｒａｃｋｓ ｗａｓ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｂｙ ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｆｒａｃ— ｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＥＤＳ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｐｅｎｅｔｒａｔｅｄ ｃｒａｃｋｓ ｗｅｒｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｃｈｌｏｒｉｄｅ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＴＰ３２１ Ｈ ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ；ｃｈｌｏｒｉｄｅ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ；ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｃｒａｃｋ
图３ 人为Ｃｆｉｔ：书裂纹微）Ｉ！Ｉｌ彤貌
图４ 裂纹扩展部位微观形貌
图５ 穿透性裂纹断¨微观形貌
１．５微区ＥＤＳ能谱分析 为进一步明确断口表面腐蚀结垢物化学成分，
２开裂断口分析讨论
分别对断口裂纹源区部位和断口扩展部位进行了微 ２．１ 不锈钢应力腐蚀开裂的影响因素
区ＥＤＳ化学成分分析，分析结果分别见表２和表３。 由表２可知，在断口上探测到大量的Ｃ、ｏ以及
石油化工行业中，奥氏体不锈钢设备和管线的 应力腐蚀问题引起了普遍的关注［１￣７］。应力腐蚀开 裂的发生通常需要孕育期，且时间有长有短，短至几 天，长至数年。应力腐蚀裂纹特征旱枯树枝状，大致 沿着垂直于拉伸应力的方向扩展，裂纹微观形态有 穿晶型、沿晶唰或者二者兼而有之。
对于化工设备而言，焊接、冷加工以及安装时的 残余应力均是应力的来源。对于奥氏体不锈钢，引 发应力腐蚀开裂的是特定腐蚀性介质，主要包括 ＮａＯＨ溶液、ＫＯＨ溶液、ＮａＯＨ＋硫化物水溶液、含 Ｃｌ离子水溶液、Ｆ离子、Ｂｒ离子、Ｉ离子、Ｈ：Ｓ溶液、 高温水及水溶液、２６０℃水蒸气、海水、连多硫酸、二 氯乙烷、Ｈ：ＳＯ。、Ｈ：ＳＯ。＋氯化物等［８］。
１裂纹检验分析
１．１外观检查 引压管外壁处泄漏点外观检查结果见图１。图
１可见，１。处为主裂纹，由内壁起源并形成穿透性裂 纹，长度约４０ ｍｍ，总体上沿着管件轴向扩展，在裂 纹尖端转向径向扩展。２ ９为外壁上的孤立裂纹，处 于裂纹发展方向卜，长度约为３ ｍｍ。
收稿日期：２０１０－０２－０８
一
作者简介：张明乐（１９６８一），男，ＩＩ Ｊ东青岛人，工程师，硕士，多年从事石油设备管理上作。
％
与１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ奥氏体不锈钢发生氯化物应力腐蚀
开裂的案例类似。
综上所述，本例中引压管开裂为氯离子诱发的
奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂。
３ 结语
为了防止奥氏体不锈钢的氯化物应力腐蚀开 裂，应当选用双相不锈钢或高镍奥氏体钢，如 ＳＡＦ２２０５（００Ｃｒ２２Ｎｉ５Ｍ０３Ｎ）双相不锈钢，或是 ００Ｃｒ２０Ｎｉ２５Ｍ０４．５Ｃｕ。ＳＡＦ２２０５钢中加入了Ｎ元 素，提高了奥氏体不锈钢的稳定性。
万方数据
第４期
张明乐：ＴＰ３２１Ｈ不锈钢氯离子应力腐蚀开裂分析
１．２化学成分测试
在泄漏引压管管件上选取样品１件，测试其化 学成分，结果见表１。从表１中可知，样品管道的化
学成分满足ＡＳＭＥ ＳＡ－２１３对ＴＰ３２１的要求。
表ｌ泄漏引压管管件化学成分（质量分数）
％
元素
Ｃ
Ｓｉ
Ｍｎ
Ｐ
Ｓ
ＣｒＮｉΒιβλιοθήκη Ｔｉ测试值０．０３６ ０．６４ １．２２ ０．０２０ ０．００１ ５ １７．４６ ９．２１ ０．２０６
［１１］张振杰．奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂探讨［Ｊ］．石油化
工腐蚀与防护，２００６，（２）：５８－６０．
［１２］查晡文．奥氏体不锈钢应力腐蚀产生原因分析［Ｊ］．石
油和化Ｔ设备，２００５，（４）：１２－１３．
［１３］王非，林英．化工设备用钢［Ｍ］．北京：化学工业
出版社，２００４．
（许缩）
万方数据
［Ｊ］．石油化工设备，２００７，３６（１）：１０４－１０５． ［８］ 柯 伟，杨 武．腐蚀科学技术的应用和失效案例
［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００６． ［９］Ｄａｓ Ｇ，Ｃｈｏｗｄｈｕｒｙ Ｓ Ｇ，Ｒａｙ Ａ Ｋ，ｅｔ ａ１．Ｔｕｒｂｉｎｅ
Ｂｌａｄｅ Ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎ ａ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ［Ｊ］．Ｅｎｇ．
Ｏｃｃｕｒ ｆｒｏｍ Ｃｒｅｖｉｃｅ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｓｉｔｅｓ ａｎｄ Ｅｌａｔｅｄ Ｅｌｅｃ－
ｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｆｅａｔｕｒｅｓ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ［Ｊ－Ｉ．Ｍａ—
ｔｅｒ．Ｃｏｒｒｏｓ．，２００４，５５：９０１－９０８．
［３］ Ｋｕｍａｒ Ｍ Ｓ，Ｓｕｊａｔａ Ｍ，Ｖｅｎｋａｔａｓｗａｍｙ Ｍ Ａ，ｅｔ ａ１．
ＡＳＭＥ≤Ｏ．０８≤Ｏ．７５≤２．００≤Ｏ．０４０（－０．０３０ １７．００ ９．ｏｏ～５×Ｃ～
ＳＡ－２１３
～２０．００ １３．００ ０．０６
１．３ 金相组织 泄漏部位管件横截面金相组织见图２。由图２
中可见，裂纹贯穿整个管壁，呈现树枝状，既有主干， 也有分枝，裂纹呈现穿晶型。
（ａ）未浸蚀
（ｂ）浸蚀
图２泄漏鄢ｆ诳管件横截面裂纹金相组织
１．４主裂纹断口分析 １．４．１宏观检查
主裂纹断口宏观检查结果如下：主裂纹断口呈 现黑褐色，为陈旧性断口；主裂纹对面的断口截面上 观察到黑褐色的陈旧性断口形貌和白亮金属颜色的 撕裂断口形貌。同时由于人为打开外力的作用，该 管件内壁上许多陈旧性裂纹也张开。 １．４．２微观形貌
（１）人为打开断口 对人为打开的断口处采用场 发射扫描电镜所得结果见图３。由图３可见，裂纹起 源于管件内擘多处，向管件外壁扩展。断口上可清楚 地观察到裂纹源区、裂纹扩展区和人为打开韧窝区， 且从管道内壁点蚀坑处启裂。裂纹源形成后，呈扇形 向管道外壁扩展，且断口上有大量的裂纹。
参考文献： ［１］ Ｗａｎｇ Ｙ，Ｌｕ Ｙ Ｂ，Ｐａｎ Ｈ Ｌ．Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ
Ｈｙｄｒｏ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｒｅａｃｔｏｒ［Ｊ］．Ｅｎｇ．Ｆａｉｌ．Ａｎａｌ．，
２００９，（１６）：１１—１８．
［２－Ｉ Ｗａｎｇ Ｓ．Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ ｔＯ
Ｆａｉｌ．Ａｎａｌ．，２００３，（１０）：８５—９１．
［１０］Ｔｓｃｈｉｐｔｓｃｈｉｎ Ａ Ｐ，Ａｚｅｖｅｄｏ Ｃ Ｒ Ｆ．Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ
Ｔｕｒｂｏ－ｂｌｏｗｅｒ Ｂｌａｄｅｓ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙ—
ｓｉｓ，２００５，（１２）：４９－５９．
氯离子不但能引起小锈钢孑Ｌ蚀，而且更容易引 起不锈钢的应力腐蚀开裂。影响因素包括氯化物含
少量的Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ等。除此之外，还探测到大量的
量、ｐＨ值、温度、应力、氧的存在和合金成分等。发
Ｐ、Ｓ、Ｃｌ等。由表３可知，在断１：３上探测到大量的
生氯离子应力腐蚀开裂的临界温度为６０℃，于湿或
Ｃ、０、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ等元素，除此之外，局部区域还有少
（２）内壁附近断口 靠近内壁附近断口微观形 貌结果见图４。由图４可见，裂纹以穿晶形式扩展 并带有分叉，微观断口形貌具有解理或准解理特征， 可观察到大量的河流状花样、鱼骨状花样以及撕裂 棱。断口上可见二次裂纹，并覆盖有大量腐蚀产物， 局部晶面｝二还可观察到腐蚀坑的形貌。
（３）穿透性陈旧断口 管件外壁宏观可见的穿 透性陈旧性断口微观形貌结果见图５。由图５可 见，裂纹以穿晶形式扩展，微观断口形貌具有解理特 征，可观察到大量的河流状花样，断口上町见二次裂 纹，并覆盖有大量腐蚀产物。
表３ ４个区域ＥＤＳ能谱分析结果（质量分数） ％
外加的，也可以是加工残余应力［９￣１ ２｜。 ２．２ ＨＣｌ一Ｈ：Ｓ－Ｈ：０环境中不锈钢的应力腐蚀开
裂 在ＨＣｌ一Ｈ。Ｓ－Ｈ。Ｏ环境中，化工设备典型的腐 蚀部位为常压塔顶部５层塔盘、塔体、部分挥发线， 常压塔顶冷凝冷却系统（该部位腐蚀最为严重），减 压塔部分挥发线和冷却系统，加氢精制装置的不锈 钢冷却设备，甲醛装置水冷却器，聚酯装置中泵冷却 器以及维纶抽丝装置中醛化液系统［１“。 一般气相部位腐蚀较轻微，液相部位腐蚀严重， 尤以气液两相转变部位即镭点部位最为严重，影响 该部位的主要因素是原油中的盐水解后生成ＨＣＩ 引起的。不论原油含硫及酸值的高低，只要含有盐， 就会引起不锈钢的腐蚀。 本例中，该引压管位于液位位置，属于气液两相 转变部位即露点部位，具有氯离子浓缩条件（反复蒸 干、润湿），为最易发生氯化物应力腐蚀的部位，并且
中国石化青岛炼油化工有限责任公司加氢预处 理热高分仪表的引压管位于液位位置，开工后半年 发现有穿透性裂纹，引压管更换后不到４个月的时 间内又发生了２次裂穿。引压管材质ＴＰ３２１，外径
ｐ２ ｍｍ，肇厚５．６ ｍｍ，接触介质为蜡油加氢反应产 物，操作温度２６０℃，操作压力１１．０ ＭＰａ。文中对 引压管发生穿透性裂纹的情况进行了简要分析。