某連續重整裝置重整加熱爐金屬軟管在使用的過程中發生斷裂并泄漏，為找到原因，對其進行了一系列的理化實驗：宏觀檢驗、斷口電鏡檢驗，能譜分析，金相檢驗及化學分析。綜合分析后，發現其泄漏的主要原因，是由于該金屬軟管的內管-不銹鋼波紋管內輸送的瓦斯中，含有氯、硫等腐蝕性介質，加之波紋管使用、安裝及制造中的應力較大，形成沿晶應力腐蝕裂紋，并在使用過程中不斷擴展發生斷裂，引起泄漏。為避免類似情況出現，建議將金屬軟管的波紋管更換成耐高氯、硫腐蝕的材質，并嚴格控制腐蝕性介質進入其中。

 

    文| 周青 王文燦 中國石油烏魯木齊石化分公司設備檢驗檢測院
 

   
周青在實驗室對樣品進行顯微鏡觀察
 

        金屬軟管是工程技術中重要的連接構件，在石油化工行業應用廣泛。它由波紋管、網套及接頭三大部分構成：其內管是具有螺旋形或波形的薄壁不銹鋼波紋管，起著撓性連接和輸送介質的作用；波紋管外層的網套，是由不銹鋼絲或鋼帶按一定的參數編織而成，起著保護波紋管和屏蔽的作用；軟管兩端的接頭或法蘭是與管道的接頭或法蘭相匹配的，起著連接的作用。制作金屬軟管的材料多為奧氏體不銹鋼，其工作溫度范圍極廣，為-196℃-600℃， 因而保證了耐溫性和耐蝕性的要求。但金屬軟管的內管- 波紋管在制作、安裝及使用過程中存在一定應力，其內部凸凹的結構易截留輸送介質，當輸送介質中富含氯、硫等腐蝕性介質時，使用中容易發生應力腐蝕。據介紹，泄漏的連續重整裝置重整加熱爐金屬軟管，材質為：SUS316，工作溫度為：80℃，工作壓力為：0.2MPa，輸送介質為：瓦斯。

 

  理化實驗內容

 

    宏觀檢驗

 

       對連續重整裝置重整加熱爐金屬軟管進行觀察，發現該金屬軟管是內管- 不銹鋼波紋管發生了開裂。波紋管外壁為銀白色，除三處開裂處外壁附著有黑色物質外（見圖1），其余無明顯腐蝕痕跡。三處開裂中2 處開裂程度最大，且三處開裂位置均位于波紋管凸凹相間的位置（見圖2）。將開裂最大的2 處沿橫截面拉開，對斷口進行觀察，發現斷口較為平整，塑性變形小于5%，波紋管斷口上和內壁均附著有黑色物質（見圖3）。
 

 
  圖1 金屬軟管波紋管泄漏宏觀


   
圖2金屬軟管波紋管泄漏2處宏觀形貌


   
圖3 金屬軟管波紋管斷口及內壁形貌

 

    斷口電鏡檢驗

 

       將該金屬軟管波紋管開裂最大的2 處沿橫截面拉開后，將斷口取樣并清洗后，置于掃描電鏡下進行觀察，其形貌較為復雜，以沿晶裂紋為主，也存在泥狀花樣（見圖4）。
 

圖4 金屬軟管波紋管斷口電鏡形貌
 

    能譜分析

 

       將該金屬軟管波紋管開裂最大的2 處沿橫截面拉開后，對斷口及內壁的黑色附著物進行能譜分析，黑色附著物中含有大量的氯和少量的硫的腐蝕性介質（見圖5）。
 

 
  圖5 金屬軟管波紋管斷口附著物能譜分析
 

    化學分析

 

       在該金屬軟管波紋管上取樣進行化學分析，其成分符合GB/T14525-2010 及GB/ T3280-2007 中OOCr17Ni12Mo2（ 相當于SUS316） 的標準要求（見圖6）。
 

圖6 金屬軟管波紋管化學成分（質量分數%）
 

    金相檢驗

 

        在該金屬軟管波紋管上沿縱向取樣， 經打磨、拋光及浸蝕后進行金相檢驗，其金相組織為：孿晶奧氏體+ 沿晶裂紋，裂紋是從內壁向外壁擴展的（見圖7）。
 

圖7 金屬軟管波紋管的金相組織
 

    理化實驗分析與討論

 

        從宏觀檢驗可以看出，該金屬軟管波紋管外壁除開裂處外無黑色附著物，內壁和斷口均有黑色附著物，開口向外，這三點可以判斷斷裂是從內向外進行的；斷口   
宏觀無明顯的塑形變形，屬于脆性斷裂。

 

        從斷口電鏡檢驗可以看出，該金屬軟管波紋管斷口上存在沿晶裂紋和泥狀花樣， 前者代表的是沿晶脆性斷裂；后者代表斷口上存在腐蝕性產物并發生沿晶脆性斷裂。沿晶脆性斷裂產生的原因：一是由于晶界存在連續分布的脆性第二相；二是微量有害元素在晶界上偏聚；三是由于環境介質的作用損害了晶界，如氫脆，應力腐蝕、應力和高溫的復合作用在晶界造成損傷。因而該斷口屬于沿晶脆性斷裂。

 

       從能譜分析可以看出，該金屬軟管波紋管斷口黑色附著物中含有氯、硫等介質， 說明該金屬軟管波紋管輸送的瓦斯中含有腐蝕性介質。

 

       從化學分析可以看出，該金屬軟管波紋管成分符合GB/T14525-2010 及GB/ T3280-2007 中00Cr17Ni12Mo2（ 相當于SUS316） 的標準要求。

 

        從金相檢驗可以看出，該金屬軟管波紋管上均為沿晶裂紋，說明是沿晶脆性斷裂；且這些裂紋有些并未穿透，其走向是從內壁向外壁擴展的，因而可以判斷其開裂是從內向外擴展的；另外金相組織中有大量孿晶，而形成孿晶的原因有可能是形變、生長或者是退火中產生，由于生長孿晶和退火孿晶形成數目有限，因此主要是由加工應力引起的。

 

        該金屬軟管波紋管受力狀態比較復雜， 存在因管子重力和輸送介質的壓力變化而產生的拉伸應力、交變應力、沖擊力、振動力，還可能存在安裝中產生的安裝應力和機加工中產生的殘余應力。

 

       應力腐蝕開裂SCC 是材料在拉應力和腐蝕介質共同作用下發生的脆性開裂。一定的應力、敏感的合金和特定介質是發生應力腐蝕的三個必要條件。根據應力腐蝕的表面膜破裂理論，在腐蝕介質中金屬表面上總是存在著不同程度的保護膜， 這些膜層在應力或活性離子（如Ｃｌˉ）的作用下易引起破壞。裸露出的基體金屬與其余表面膜構成小陽極與大陰極的腐蝕電池， 新鮮表面就產生陽極溶解。該金屬軟管波紋管存在使用應力、安裝應力及機加工的殘余應力，并且形成了氯離子和不銹鋼組成的特定腐蝕體系，當晶界處缺陷和雜質較多， 電負性較大， 在應力和腐蝕介質作用下發生沿晶應力腐蝕斷裂。

 

        綜上所述，某連續重整裝置重整加熱爐金屬軟管泄漏的主要原因，是由于該金屬軟管的內管- 不銹鋼波紋管內輸送的瓦斯中，含有氯、硫等腐蝕性介質，加之波紋管使用、安裝及制造中的應力較大，形成沿晶應力腐蝕裂紋，并在使用過程中不斷擴展發生斷裂，引起泄漏。

 

        含鎳的奧氏體不銹鋼如304，316 對應力腐蝕開裂高度敏感，無鎳的鐵素體不銹鋼對氯化物的應力腐蝕開裂是免疫，雙相不銹鋼具有奧氏體相和鐵素體相的特點，AL2003 合金的鐵素體相提供了耐氯化物應力腐蝕開裂能力，使其耐氯化物應力腐蝕性能高于300 系列奧氏體不銹鋼。建議將金屬軟管的波紋管更換成耐高氯、硫腐蝕的材質，并嚴格控制腐蝕性介質進入其中。