常减压蒸馏油气管道焊缝裂纹失效分析.pdf

第 4 3 卷第 3 期 2 0 1 4年 5月 石油化工设备 P ETR0一 CHEMI CAL EQUI P M E NT Vo1 ．4 3 No ．3 M a y 2 01 4 文章 编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 4 0 3 0 0 9 2 0 5 常减压蒸馏油气 管道焊缝 裂纹失效分 析 苏 同君 ，苏楷 然 ，段振国 中国石油化工股份有 限公 司 石 家庄 炼化分公司 ，河北 石家庄0 5 0 0 9 9 摘要针对常减压蒸馏 油气管道的失效特点 ， 对管道材质的金相组织和夹杂物 、 管道材质的化学成 分 、 焊缝 区的显微硬度进行 了测试 ， 对断口的宏观微观形貌、 腐蚀特征 、 腐蚀 产物等进行 了分析， 结 合输油管道的服役条件进行 了腐蚀理论分析 ， 以判断材质质量与管道 断裂的关系、 管道断裂的机制 以及 管道服 役 环境 与断 裂失 效的 关 系 ， 阐明 了输 油 管道 的断 裂失 效原 因 ， 对 下一 步 的工作提 出了合 理建议 。 关 键 词 管道；焊缝 ；泄漏；失效 ；分析 中 图分类 号 TE 9 7 3 ； TQ 0 5 5 ． 8文献标 志码 B d o i i 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 - 7 4 6 6 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 2 4 F a i l u r e An a l y s i s o f W e l d Cr a c k o f At mo s ph e r i c a n d Va c u u m Di s t i l l a t i o n Oi l a n d Ga s Pi pe l i n e S U To n g - j a n，S U Ka i r a n，DUAN Zh e n g u o S I NOP EC S h i j i a z h u a n g Re f i n i n g Ch e mi c a l Co mp a n y，S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 9 9，Ch i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a t mo s p h e r i c a n d v a c u u m d i s t i l l a t i o n o n a n d g a s pi p e l i n e f a i l u r e ma t e r i a l t o i t s b as i c pe r f or ma n c e， t h e m i c r os t r uc t ur e a nd t h e c h e m i c a l c ompo s i t i o n o f i n c l u s i ons ，t he t u be ma t e r i a 1 ，m i c r o ha r dn e s s o f we l d a r e a we r e t e s t e d，t he f r a c t u r e of t he f r a c t ur e m i e r os t r ue t ur e，c or r o s i o n c ha r a c t e r i s t i c s a nd c or r os i o n p r od uc t s we r e a n a l y z e d， a nd c o mbi ni ng wi t h t he or e t i c a l a n a l ys i s ，t he s e r vi c e c on di t i o n of p i p e l i ne c o r r o s i on t o d e t e r m i ne t he r e l a t i o n s h i p b e t we e n a ma t e r i a l q u a l i t y a n d t h e p i p e l i n e r u p t u r e o f t h e p i p e l i n e ，o i l p i p e l i n e a n d t h e me c ha n i s m of f r a c t u r e o f pi pe l i ne s e r v i c e e nv i r on me nt a nd t he r e l a t i on s h i p be t we e n t he f r a c t u r e f a i l ur e ．Fi na l l y c l a r i f y f r a c t ur e f a i l ur e r e a s o ns o f pi pe l i n e，a nd o n t h i s b a s i s pu t s f o r wa r d r e a s on a b l e s ug ge s t i on s on t he ne x t s t e p wor k． Ke y wo r d sp i p e l i n e ；we l d c r a c k；l e a k a g e ；f a i l u r e ；a n a l y s i s 某公 司 常减压 油 气管道 内部介 质为 常减 压蒸 馏 后 得到 的含 杂 质 的 汽 油 ， 主 要 杂 质 为 硫 化 物 ， 含 水 质量分数 约 1 ， 工作温度为 5 0℃。管道主体 由 2 O钢管焊接而成。管道运行 中发生泄漏 ， 泄漏 区位 于常减压蒸馏塔下游的输油管道 ， 泄漏点主要在焊 缝和热影响区 ， 少数发生在非焊缝区域。着色渗透 检测发现泄漏处失效模式主要为裂纹。为确定失效 原因， 笔者通过系列测试和理论分析， 研究了失效管 道管材本身性质 金相组织和力学性能 、 受力条件 和腐蚀环境对管道失效的影 响， 逐 步排查确定失效 原因 ， 并提出了预防和消除此类事故的建议 。 1 失效 油气 管道材料性能测试 1 ． 1 管材基体化学成分分析 对 管材基体进行 了化学成 分的 电子衍射 能谱 E DS 分析 ， 结果见 图 1 。由图 1可见管材基 体材 质为低碳钢 2 0 G ， 合金元素很少 ， 说明管材基体无 明显 的有 害杂 质存 在⋯ 。 收 稿 日期 2 0 1 3 1 2 - 2 0 作者简介 苏 同君 1 9 6 4 一 ， 男 ， 河北辛集人 ， 工程师 ， 主要从 事石油化工设备和工程 的管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 苏 同君 ， 等 常减压蒸馏油气 管道 焊缝裂纹 失效 分析 2 ． 3 宏观形貌 失 效输 油管 道未 发生 泄漏 的焊缝 处 内部 比较光 滑 ， 腐蚀程度与非焊缝 区的接近。而发生泄漏 的焊 缝的内表面发生了明显 的局部腐蚀 ， 整个 焊缝 内壁 被腐蚀出一道 1 ～2 F i l m深的沟槽， 表明发生泄漏处 的焊缝区的组织容易腐蚀。 3管道 腐蚀 机理分析 失 效输 油管 道的化 学成 分 和金相 组织 符合低 碳 钢 2 0钢 的特点， 无明显异常。但是焊缝 内存在大 量的夹杂物 ， 其中少数大尺寸夹杂物能够产生应力 集 中， 促使裂纹发生 。同时， 焊缝 中存在气孔 未焊 透点 ， 能够促进裂纹的发生。如果不存在残余拉应 力或结构应力， 夹杂物与气孔不足 以引发 自内表面 的裂纹 ， 而 只影 响焊缝 的强 度 。 硬度分析表 明 ， 尺寸 较大 较宽 的 焊 缝 中心 存在一个软化组 织 区， 该 区域在焊 接过程 中最后 凝 固和冷却 。冷却 后 ， 由于金 属 的热膨胀 性 会导 致焊缝中心 的收缩 ， 因而会 在该 区域周 围产生 周 向分布的拉应力场 ， 其两侧边 界为熔 合线 ， 即熔合 线 处 的拉 应 力 最 大 。从 内 表 面 看 ， 新 的焊 缝 表 面 不存在残余应力 。但 当焊缝 内表面 因腐蚀 而减薄 足够 的厚度后 ， 焊缝 的残余 应力 区就会暴 露 在管 内的腐蚀环境 当中。因此 ， 发 生泄漏 的焊 缝 因为 内表面的严重局部腐蚀而暴露 出了位于熔合 线上 的拉应力区。 腐蚀产物 的分析表 明， 管 内介质 中含有腐蚀性 较 强 的介质 ， 这 种介 质 的 主要 成 分是 硫 化 物 。由现 场工况来看 ， 管内介质 中含有一定 的水分 ， 因此 ， 可 溶性的硫化物在一定 p H 值条件下 一般是 p H 值 低于 7或高于 1 0 能够引起应力腐蚀裂纹 。从裂纹 特 征看 ， 裂纹 内部 充满 腐蚀 产物 硫化 物 ， 裂 纹扩 展过 程为沿脆性相一铁素体 晶粒或渗碳体一扩展 ， 断 口 特征为穿晶和沿晶混合模式 ， 这些都符合硫化物应 力 腐蚀 的特 征[ 3 。 ] 。 综合分析看出， 2 0钢焊缝 区存在残余拉应力及 含硫化物的较强腐蚀性介质 ， 而碳钢一 硫化物介质是 应力腐蚀敏感体系， 因此可以确定裂纹主要是硫化 物应力腐蚀裂纹[ 8 。管内介质能够导致严重的局 部腐蚀 ， 在非焊缝区也 可能因为严重的局部腐蚀而 发生泄漏 。 4建议 应力腐蚀裂纹发生在不同的焊缝 内， 且硫化物 及管内介质 的腐蚀起关键作用。因此 ， 建议在实际 生产 中应严 格 限制原 料 的酸性 、 含 盐量 以及 含水 量 ， 以降低产品中硫化物的浓度 ， 从 根本上抑制应力腐 蚀 的发生。同时， 应该注意调节适宜的 p H值 ， 添加 更为有效的缓蚀剂 。如果条件允许 ， 建议升级设备 材质 ， 提高耐蚀性 ， 以应对高 酸性 原油带来 的腐 蚀 问题 l_ 1 l _ 。 5 结语 失 效 油 气 管道 裂 纹 形态 符 合应 力 腐 蚀 特征 ， 裂 纹主要沿焊缝的熔合线扩展。焊缝 内的残余应力是 引起应力腐蚀的关键原因， 同时焊缝 内的夹杂物和 气孑 L 对裂纹发生起一定的促进作用 。管 内介质中的 硫化物能引起焊缝区严重的局部腐蚀 ， 导致焊缝熔 合线的残余拉应力区暴露在腐蚀介质 中， 进而 由管 内介质 中的硫化物引起应力腐蚀裂纹， s 一是发生应 力腐蚀的主要原因之一 。结合现场工况可以判 断， 应力腐蚀是输送介质内的 H S含量偏高 ， 同时 p H 值调节不当而导致的。但 p H值 的大小对低碳钢管 线 应力 腐蚀 敏感 性 的 影 响 以及 有 效 的抑 制方 法 ， 目 前不是特别清楚 ， 需借助试验研究来获得更为具体 的数据 。 参 考文献 E l i 林慧 国， 林钢 ， 吴 静雯． 袖珍 世界 钢号 手册 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． LI N Hu i g u o ， L I N Ga n g ， WU J i n g we n ． P o c k e t Ma n u a l o f S t e e l G r a d e i n t h e Wo r l d [ M] ．B e ij i n g C h i n a M a c h i ne Pr e s s， 20 03 ． [ 2 ] 李炯辉． 金属材 料金 相图谱 [ M] ． 北 京 机械 工业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． LI J i o n g - h u i ．M e t a l Ma t e r i a l Me t a l 1 o g r a p h i c At l a s [ M-I ． B e ij i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 魏宝 明． 金 属腐 蚀理 论及 应用 l- M] ． j E 京 化学工 业 出 版 社 ， 1 9 8 4 ． W EI B a o mi n g ．M e t a l Co r r o s i o n Th e o r y a n d Ap p l i c a t i o n [ M] ． B e r i n g C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ，1 9 8 4 ． [ 4 ] 郝文魁 ， 刘智 勇 ， 李 晓刚 ， 等． 1 6 Mn钢及其 热影 响区在 碱性硫化物环境 中的应力腐蚀行 为与机理[ J ] ． 金属学 报 ， 2 0 1 3 ， 4 9 7 1 1 5 1 2 3 ． HAO W e n - ku i ，LI U Zh i y o ng，LI Xi a o ga n g，e t a 1 ． St r e s s Cor r o s i on Cr ac ki ng a n d I t s M e c ha ni s m of 1 6M n S t e e l a n d He a t - a f f e c t e d Z o n e i n Al k a l i n e S u l f i d e S o l u t i o n s l- J ] ． Ac t a Me t a l l u r g i c a S i n i e a ， 2 0 1 3 ， 4 9 7 1 1 5 1 23 ． [ 5 ] 李明， 李晓刚， 陈钢， 等． 1 6 Mn HI C 钢硫化物应力腐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 石油化工设备 2 0 1 4年第 4 3卷 E 6 ] E 7 - 1 E 8 ] 蚀开裂实验研究 [ J ] ． 北 京科技 大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 3 3 8 4 3． L I M i n g， LI Xi a o g a n g ，CH EN Ga n g， e t a 1 ． Ex p e rt me n t a l I n v e s t i g a t i o n o n S u l f i d e S t r e s s Co r r o s i o n Cr a c k i n g o f 1 6 M n H y d r o g e n I n d u c e d Cr a c k i n g Re s i s t a n c e S t e e l [ J ] ．J o u r n a l o f Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Be ij i n g， 2 0 0 7 ， 2 9 3 3 8 4 3 ． LI U Zh i y on g，D0NG Cha o f a ng， LI Xi a o ga n g，e t a 1 ． S t r e s s Co r r os i o n Cr a c ki ng of 22 05 Dupl e x St a i nl e s s S t e e l i n H2 S - C O 2 E n v i r o n me n t [ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s Sc i e n c e， 2 0 09， 4 4 42 28 42 3 4． 刘智勇 ， 董超芳 ， 李 晓刚． 3 C r l 7 Ni 7 Mo 2 S i N不锈 钢硫 化氢环境下的应力腐蚀开裂I- j ] ． 机械工程 学报 ， 2 0 1 1 ， 4 7 6 6 2 6 8 ． L I U Z h i y o n g ， DONG C h a o f a n g，L I Xi a o - g a n g ． St r e s s Co r r os i o n Cr a c k i n g o f 3 Cr 1 7Ni 7 M o2 Si N St a i n l e s s S t e e l i n S u l f i d e Hy d r o g e n S o l u t i o n s [ J ] ． J o u r n a l o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g， 2 0 1 1 ， 4 7 6 6 2 6 8 ． 刘智勇 ， 董超芳 ， 李 晓刚 ， 等． 3 5 C r Mo和 0 0 c r 1 3 N i 5 Mo 硫化氢 环 境 应 力 腐 蚀 开 裂 [ J ] ． 化 工 学 报 ， 2 0 0 8 ， 5 9 1 0 1 4 0 1 4 6 ． LI U Z h i - y o n g，DONG Ch a o f a n g， LI Xi a o g a n g。 e t a 1 ． S t r e s s Co r r o s i o n Cr a c k i n g B e h a v i o r o f 3 5 Cr M o a n d O O Cr 1 3 Ni 5 M o St e e l s i n Hy d r o g e n Su l f i d e S o l u t i o n s [ J ] ．J o u r n a l o f C h e mi c a l I n d u s t r y a n d E n g i n e e r i n g Ch i n a ， 2 0 0 8， 5 9 1 0 1 4 0 - 1 4 6 ． [ 9 3 刘 智勇 ， 李 明， 李晓刚． 1 6 Mn HI C 钢在硫 化氢 环境 中 的应力 腐蚀开裂行为[ J ] ． 中国腐 蚀与 防护 学报 ， 2 0 0 6 ， 2 6 6 4 2 4 6， 5 2 ． LI U Z h i y o n g ，L I M i n g， L I Xi a o g a n g ．S t r e s s Co r r o s i o n Cr a c k o f 1 6 M n S t e e l i n W e t S u l f u r e t e d Hy d r o g e n E n v i r o n me n t [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n e s e S o c i e t y f o r C o r r o s i o n a n d Pr o t e c t i o n， 2 0 0 6 ， 2 6 6 4 2 4 6， 5 2 ． [ 1 O ]林 玉珍 ， 杨德均． 腐蚀和腐蚀控制原 理[ M] ． 北 京 中国 石 化出版社 ， 2 0 0 7 ． LI N Yu z h e n。 YANG De - j u n ． Co r r o s i o n a n d An t i c o r ～ r o s i o n P r i n c i p l e s [ M] ．B e ij i n g C h i n a P e t r o c h e mi c a l P r e s s Co ． Lt d ．， 2 0 0 7 ． [ 1 1 ]欧阳健． 高酸原油炼油装置防腐设计及腐蚀评价[ J ] ． 石油化工设备 ， 2 0 1 1 ， 4 0 3 8 1 - 8 5 ． 0UYANG J i a n ． An t i c o r r o s i o n De s i g n a n d Ev a l u a t i o n o f t h e Hi g h a c i d C r u d e R e f i n e r y P r o j e c t [ J ] ．P e t r o - c he mi c a l Equ i p me nt ， 201 1， 4 0 3 81 8 5． 张 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m