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TP321H不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂分析

文檔作者：張明樂(lè) 文檔來(lái)源：中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月21日
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第39卷第4期
2010年7月
石油化工設(shè)備
PETR()_CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．39 No．4
July 2010
文章編號(hào)：1000—7466(2010)04—0100—03
TP321 H不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂分析
張明樂(lè)
(中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島 266500)
摘要：對(duì)加氫預(yù)處理熱高分儀表引壓管所發(fā)生穿透性裂紋進(jìn)行了詳細(xì)分析，包括化學(xué)成分、金相組
織、斷口形貌觀察以及微區(qū)EDS能譜分析。結(jié)果表明，穿透性裂紋是由于不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕
所引起。
關(guān)鍵詞：TP321H不銹鋼；氯離子應(yīng)力腐蝕；管件；開(kāi)裂
中圖分類(lèi)號(hào)：TG 172．9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
Chloride—induced Stress Corrosion Cracking Analysis of TP32 1 H Stainless Steel Pipeline
ZHANG M ing-le
(Sinopec Qingdao Refining g>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：TP321H stainless steel chloride-induced stress corrosion cracking；pipeline；crack
石油化工行業(yè)中，奧氏體不銹鋼設(shè)備和管線的
應(yīng)力腐蝕問(wèn)題引起了普遍的關(guān)注ll】 ]。應(yīng)力腐蝕開(kāi)
裂的發(fā)生通常需要孕育期，且時(shí)間有長(zhǎng)有短，短至幾
天，長(zhǎng)至數(shù)年。應(yīng)力腐蝕裂紋特征呈枯樹(shù)枝狀，大致
沿著垂直于拉伸應(yīng)力的方向擴(kuò)展，裂紋微觀形態(tài)有
穿晶型、沿晶型或者二者兼而有之。
對(duì)于化工設(shè)備而言，焊接、冷加工以及安裝時(shí)的
殘余應(yīng)力均是應(yīng)力的來(lái)源。對(duì)于奧氏體不銹鋼，引
發(fā)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的是特定腐蝕性介質(zhì)，主要包括
Na0H溶液、KOH溶液、NaOH+硫化物水溶液、含
Cl離子水溶液、F離子、Br離子、I離子、H S溶液、
高溫水及水溶液、260。C水蒸氣、海水、連多硫酸、二
氯乙烷、H。SO 、H。SO +氯化物等¨8]。
中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司加氫預(yù)處
理熱高分儀表的引壓管位于液位位置，開(kāi)工后半年
發(fā)現(xiàn)有穿透性裂紋，引壓管更換后不到4個(gè)月的時(shí)
間內(nèi)又發(fā)生了2次裂穿。引壓管材質(zhì)TP321，外徑
2 mm，壁厚5．6 mm，接觸介質(zhì)為蠟油加氫反應(yīng)產(chǎn)
物，操作溫度260。C，操作壓力11．0 MPa。文中對(duì)
引壓管發(fā)生穿透性裂紋的情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。
1 裂紋檢驗(yàn)分析
1．1 外觀檢查
引壓管外壁處泄漏點(diǎn)外觀檢查結(jié)果見(jiàn)圖1。圖
1可見(jiàn)，1 處為主裂紋，由內(nèi)壁起源并形成穿透性裂
紋，長(zhǎng)度約40 mm，總體上沿著管件軸向擴(kuò)展，在裂
紋尖端轉(zhuǎn)向徑向擴(kuò)展。2 為外壁上的孤立裂紋，處
于裂紋發(fā)展方向上，長(zhǎng)度約為3 1Tim。
圖1 引壓管外壁宏觀可見(jiàn)裂紋示圖
收稿日期；2010—02—08
作者簡(jiǎn)介：張明樂(lè)(1968一)，男，山東青島人，工程師，碩士，多年從事石油設(shè)備管理工作。
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第4期 張明樂(lè)：TP321H 不銹鋼氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂分析
1．2 化學(xué)成分測(cè)試
在泄漏引壓管管件上選取樣品1件，測(cè)試其化
學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可知，樣品管道的化
學(xué)成分滿足ASME SA一213對(duì)TP321的要求。
表1 泄漏引壓管管件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
元素 C Si Mn P S Cr Ni Ti
測(cè)試值0．036 0．64 1．22 0．020 0．00]5 1 7．46 9．21 0．206
ASME≤O．08≤O．75≤2．004o．o4o4o．030 17．00 9．0O～ 5×C～
SA一2】3 ～20．00 】3．OO 0 O6
1．3 金相組織
泄漏部位管件橫截面金相組織見(jiàn)圖2。由圖2
中可見(jiàn)，裂紋貫穿整個(gè)管壁，呈現(xiàn)樹(shù)枝狀，既有主干，
也有分枝，裂紋呈現(xiàn)穿晶型。
(a)未浸蝕 (b)浸蝕
圖2 泄漏部位管件橫截面裂紋金相組織
1．4 主裂紋斷口分析
1．4．1 宏觀檢查
主裂紋斷口宏觀檢查結(jié)果如下：主裂紋斷口呈
現(xiàn)黑褐色，為陳舊性斷口；主裂紋對(duì)面的斷口截面上
觀察到黑褐色的陳舊性斷口形貌和白亮金屬顏色的
撕裂斷口形貌。同時(shí)由于人為打開(kāi)外力的作用，該
管件內(nèi)壁上許多陳舊性裂紋也張開(kāi)。
1．4．2 微觀形貌
(1)人為打開(kāi)斷口 對(duì)人為打開(kāi)的斷口處采用場(chǎng)
發(fā)射掃描電鏡所得結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，裂紋起
源于管件內(nèi)壁多處，向管件外壁擴(kuò)展。斷口上可清楚
地觀察到裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和人為打開(kāi)韌窩區(qū)，
且從管道內(nèi)壁點(diǎn)蝕坑處啟裂。裂紋源形成后，呈扇形
向管道外壁擴(kuò)展，且斷口上有大量的裂紋。
(2)內(nèi)壁附近斷口 靠近內(nèi)壁附近斷口微觀形
貌結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，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、魚(yú)骨狀花樣以及撕裂
棱。斷口上可見(jiàn)二次裂紋，并覆蓋有大量腐蝕產(chǎn)物，
局部晶面上還可觀察到腐蝕坑的形貌。
(3)穿透性陳舊斷口 管件外壁宏觀可見(jiàn)的穿
透性陳舊性斷口微觀形貌結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可
見(jiàn)，裂紋以穿晶形式擴(kuò)展，微觀斷口形貌具有解理特
征，可觀察到大量的河流狀花樣，斷口上可見(jiàn)二次裂
紋，并覆蓋有大量腐蝕產(chǎn)物。
圖3 人為打開(kāi)主裂紋微觀形貌 圖4 裂紋擴(kuò)展部位微觀形貌 圖5 穿透性裂紋斷Ll微觀形貌
1．5 微區(qū)EDS能譜分析
為進(jìn)一步明確斷口表面腐蝕結(jié)垢物化學(xué)成分，
分別對(duì)斷口裂紋源區(qū)部位和斷El擴(kuò)展部位進(jìn)行了微
區(qū)EDS化學(xué)成分分析，分析結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。
由表2可知，在斷口上探測(cè)到大量的C、O 以及
少量的AI、Si、Ca等。除此之外，還探測(cè)到大量的
P、S、cl等。由表3可知，在斷口上探測(cè)到大量的
c、O、Fe、cr、Ni等元素，除此之外，局部區(qū)域還有少
量的C1元素。其中，s 一質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值為5．13 ，
Cl一質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值為1．55 。
2 開(kāi)裂斷口分析討論
2．1 不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響因素
氯離子不但能引起不銹鋼孔蝕，而且更容易引
起不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。影響因素包括氯化物含
量、pH值、溫度、應(yīng)力、氧的存在和合金成分等。發(fā)
生氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的臨界溫度為6O℃ ，干濕或
蒸汽和水的交替變換也會(huì)有助于開(kāi)裂，臨界氯離子
濃度隨著溫度上升而減小，高溫情況下，氯離子質(zhì)量
濃度只要達(dá)到1 mg／L，即能引起破裂。應(yīng)力可以是
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石u油化工設(shè)備 2010年第39卷
表2 兩個(gè)區(qū)域EDS能譜分析結(jié)果 ％
表3 4個(gè)區(qū)域EDS能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) ％
外加的，也可以是加工殘余應(yīng)力 叫引。
2．2 HC1一H：S—H：O環(huán)境中不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)
裂
在HC1一H。s_H O環(huán)境中，化工設(shè)備典型的腐
蝕部位為常壓塔頂部5層塔盤(pán)、塔體、部分揮發(fā)線，
常壓塔頂冷凝冷卻系統(tǒng)(該部位腐蝕最為嚴(yán)重)，減
壓塔部分揮發(fā)線和冷卻系統(tǒng)，加氫精制裝置的不銹
鋼冷卻設(shè)備，甲醛裝置水冷卻器，聚酯裝置中泵冷卻
器以及維綸抽絲裝置中醛化液系統(tǒng)[1 。
一般氣相部位腐蝕較輕微，液相部位腐蝕嚴(yán)重，
尤以氣液兩相轉(zhuǎn)變部位即露點(diǎn)部位最為嚴(yán)重，影響
該部位的主要因素是原油中的鹽水解后生成HC1
引起的。不論原油含硫及酸值的高低，只要含有鹽，
就會(huì)引起不銹鋼的腐蝕。
本例中，該引壓管位于液位位置，屬于氣液兩相
轉(zhuǎn)變部位即露點(diǎn)部位，具有氯離子濃縮條件(反復(fù)蒸
干、潤(rùn)濕)，為最易發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕的部位，并且
與1Crl8Ni9Ti奧氏體不銹鋼發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕
開(kāi)裂的案例類(lèi)似。
綜上所述，本例中引壓管開(kāi)裂為氯離子誘發(fā)的
奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。
3 結(jié)語(yǔ)
為了防止奧氏體不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)
裂，應(yīng)當(dāng)選用雙相不銹鋼或高鎳奧氏體鋼，如
SAF2205(0OCr22Ni5Mo3N)雙相不銹鋼，或是
00Cr20Ni25Mo4．5Cu。SAF2205鋼中加入了N元
素，提高了奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性。
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