丙烯洗涤塔丙烯排料线开裂原因分析-陈勇.doc

聚乙烯装置丙烯洗涤塔丙烯排料线开裂原因分析
陈勇
（天津石化装备研究院，天津 300270）
摘要：丙烯洗涤塔丙烯排料线与蒸汽伴热夹套管焊接处发生开裂，对失效试件进行宏观检验、扫描电镜、腐蚀产物能谱分析、金相检验等检验检测，通过检测结果进行分析得出排料线为应力腐蚀开裂的结论，并提出了防护措施。
关键词：应力腐蚀 裂纹 焊接接头
1 概况
2011年1月13日，发现聚乙烯装置丙烯洗涤塔T301丙烯排料线温度低，对排料线进行排查，发现物料泄漏到伴热套管内，确定排料线发生泄漏，泄漏部位位于T301塔出口第2个弯头。去除排料线的伴热夹套后，发现排料线与夹套的焊接接头热影响区存在近半周的裂纹。
失效排料线为备用管线，不常使用，2010年使用较多。排料线管长约1m，两端均与法兰连接，排料管的伴热夹套管为车间后焊接上的。
丙烯排料线内介质为丙烯和聚丙烯混合物，操作温度约为100℃，操作压力为0.3MPa-1.7MPa，管线规格为φ40×5mm，排料线材质为304不锈钢；伴热夹套介质为蒸汽，蒸汽温度约为150℃，压力为0.2MPa，蒸汽为烯烃部动力站统一供给，夹套管材质为碳钢。
2 检验检测
2.1宏观检验
对管线进行宏观检验，发现开裂位置在夹套与排料线的焊接接头热影响区。排料线与夹套结合的结构见图1，排料线和夹套之间用圆环钢板焊接连接，钢板与排料管通过单面焊双面成型，焊接部位存在未焊透现象，使得钢板和排料线之间有间隙。将排料线沿纵向抛开，发现内部三分之一周长的裂纹已经裂透，外表面裂纹近半周，较内表面裂纹长，可以断定裂纹源在外表面焊接接头热影响区处。观察焊缝成形情况，焊接质量不好，见图2。
未焊透
裂纹

图1夹套与排料管结构图示 图2失效排料线去除夹套的宏观形貌
2.2 扫描电镜及腐蚀产物能谱分析
通过扫描电镜观察裂纹断面，断面存在二次裂纹，呈应力腐蚀显微形貌特征。断口处存在大量的腐蚀产物，对腐蚀产物进行能谱分析，结果显示断口处的腐蚀产物中存在含S、Cl以及O、Al等元素，见图3-图6。
二次裂纹
腐蚀产物

图3 靠近焊缝断口形貌 图4 靠近母材断口形貌

Element
Wt%
At%
OK
11.60
28.98
AlK
07.43
11.01
SiK
01.30
01.86
SK
00.30
00.38
CaK
01.03
01.03
TiK
00.45
00.38
CrK
13.12
10.09
MnK
01.28
00.93
FeK
60.66
43.43
NiK
02.82
01.92

图5 图3位置腐蚀产物分析结果

Element
Wt%
At%
CK
05.16
12.42
OK
18.84
34.02
NaK
03.87
04.86
MgK
00.85
01.01
AlK
17.37
18.61
SiK
00.46
00.47
SK
00.83
00.75
ClK
00.61
00.50
CaK
00.54
00.39
CrK
11.80
06.56
MnK
00.90
00.47
FeK
34.27
17.73
NiK
04.50
02.21

图6 图4位置腐蚀产物分析结果
2.3金相检验
在焊接接头存在裂纹处做金相检验，焊缝组织为奥氏体+铁素体，母材组织为奥氏体，奥氏体晶粒较粗大，未发现淬硬组织。裂纹大部分沿焊缝熔合线扩展，部分向母材位置偏移；主裂纹较直且粗，为穿晶型，裂纹偶有沿晶型细小分叉，呈应力腐蚀特征【1】。见图7。

图7-a 裂纹大部分沿焊缝熔合线扩展 图7- b 部分裂纹向母材和焊缝位置偏移
图7 焊缝热影响区裂纹形貌 ×100
2.4 光谱分析
将排料管线打磨后做合金元素分析，合金元素分析结果见表1。根据标准ASTM A276判定排料线合金元素含量符合304要求。

Cr(%)
Ni(%)
Mn(%)
排料线
18.34
8.65
0.96
304合金元素含量
18~20
8~10.5
≤2.0
3 失效原因分析
经宏观检验确定裂纹源在排料线外表面焊接接头热影响区处。钢板与排料管通过单面焊双面成型，焊接部位存在未焊透现象，使得钢板和排料线之间有间隙断口处存在大量的腐蚀产物，腐蚀产物中存在S、Cl元素。说明排料线外表面的接触介质水蒸汽含S、Cl元素，对排料线的开裂有直接影响。
焊接质量不好，熔合线附近的奥氏体晶粒较大，使焊接处成为薄弱环节。金相结果显示裂纹形貌为穿晶型且存在分叉，通过扫描电镜观察断面形貌，存在裂纹和二次裂纹，符合氯化物应力腐蚀裂纹形貌。
含Ni 8%的奥氏体不锈钢（如300SS系列、304、316等）对Cl元素具有很大的敏感性，很容易发生氯化物应力腐蚀开裂（ClSCC）。ClSCC发生在含有氯化物的水环境下，特别是温度高于150F（65℃）的溶液，S化物的存在对氯化物应力腐蚀开裂起加速作用【2】。钢板与排料管焊接处存在未焊透形成缝隙，容易使水蒸汽中有害物质（Cl、S离子等）在此处凝聚浓缩，在焊接应力和含Cl、S离子腐蚀介质共同作用下，排料线发生应力腐蚀开裂。
4 结论
焊接质量不好，钢板与排料管焊接处存在未焊透形成缝隙，使水蒸汽中Cl、S离子浓缩，造成排料线发生应力腐蚀开裂。
5 建议
（1）控制焊接成型情况和焊接质量，避免未焊透等缺陷形成缝隙，并避免电流过大对组织造成影响。
（2）控制水蒸汽质量，防止Cl、S含量超标。
参考文献：
[l] 胡久韶等. 乙二醇装置多效蒸发器的腐蚀与选材[J]. 石油化工设备技术-2010年3期:51-53.
[2]强天鹏.压力容器检验[M]．北京：新华出版社，2008.

作者简介：陈勇（1982-），男，助理工程师，现在中国石化天津分公司装备研究院静设备室从事无损检测、理化检测及失效分析工作，联系方式：022-63804034或13820834774，E-mail：xywlchy@