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奥氏体不锈钢管在柴油介质中的失效分析
为查明柴油加氢装置中一段14mm、壁厚2mm的S31668(316)不锈钢压力管道的泄漏原因，对开裂失效的不锈钢管进行了检测分析。结果表明:不锈钢管泄漏的主要原因是柴油中硫、氯含量较高，工作温度又恰好在应力腐蚀敏感温度范围内，导致不锈钢管发生了由内向外的应力腐蚀开裂。此外，保温层中的Cl-吸收空气中的水分，形成腐蚀性介质，产生由外向内扩展的应力腐蚀开裂。内外壁腐蚀性介质和应力的双重作用导致不锈钢管的开裂。
某石化公司柴油加氢装置的一段奥氏体不锈钢压力管道，在运行过程中发生多处泄漏，在经过补焊修复处理后，焊接部位仍频发泄漏，并且泄漏又在新的部位发生。管内介质为柴油，操作压力为9．0MPa，操作温度约60℃。不锈钢管的外部有保温层。该不锈钢管发生泄漏事故时，投入运行不到两年。笔者对不锈钢管泄漏部位和未泄漏部位分别取样分析，探讨了不锈钢管泄漏的产生原因。
1试验与分析
1．1宏观检查
截取发生泄漏的不锈钢管1200mm，其直径为14mm，壁厚为2mm。补焊后宏观形貌如图1所示。可见，补焊区药皮没有清理干净，有表面气孔，且焊接成型不良。外壁存在腐蚀产物和锈斑，并且有划伤的痕迹;内壁局部有浅黑色腐蚀产物斑痕。对不锈钢管的外壁进行渗透检测，发现存在一条表面开口裂纹。
1．2化学成分
采用德国SPECTＲOLAB直读光谱仪对不锈钢管的材料进行了光谱分析，结果见表1，可以看出，不锈钢管化学成分符合GB/T14976-2012对S31668(316)不锈钢的要求。
1．3力学性能
在不锈钢管完好部位取样进行常温拉伸试验，结果见表2。不锈钢管的规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率均符合GB/T14976-2012对S31668的要求。
1．4铁素体测量
铁素体含量测定结果见表3(测6组数据，取最大值和平均值)，补焊区的铁素体含量平均值是3．75%，不锈钢管的补焊区铁素体含量明显高于热影响区和基体的含量，补焊区铁素体含量的增加降低了材料的耐腐蚀性能。
1．5金相检验
补焊区金相样品1的组织为奥氏体+δ铁素体(图3)，存在由外壁向内壁扩展的裂纹，裂纹在补焊区内。补焊区域产生裂纹，说明补焊对不锈钢管没有起到修复作用。
在不锈钢管裂纹附近取金相样品2的未浸蚀形貌如图4所示，存在由内壁向外壁扩展的树枝
状裂纹。浸蚀后的金相组织如图5所示，金相组织为奥氏体+少量铁素体，裂纹贯穿于整个横截面，穿晶形态更加明显，具有应力腐蚀开裂的典型特点。
1．6断口扫描与能谱分析
内壁腐蚀形貌如图6所示，由于介质的作用，呈现均匀腐蚀、点腐蚀、沟槽状腐蚀和微裂纹的形态。外壁形貌如图7所示，宏观划伤处存在大量腐蚀产物。
金相样品2沿裂纹打开后的宏观形貌如图8a所示;近内壁区呈现河流状花样，为典型的应力腐蚀开裂特点(图8b);中间区为羽毛状花样(图8c);近外壁区存在韧窝，为塑性断裂区(图8d)。该规律说明由于介质原因，不锈钢管由内壁向外壁呈脆性递减趋势。
能谱分析结果显示内壁有硫、氯存在;靠近内壁断口硫、氯含量非常高，硫含量达到13．4wt%，氯含量达到2．29wt%;外壁硫、氯含量介于内壁和靠近内壁断口之间。能谱分析表明裂纹主要是由内向外扩展的Cl－应力腐蚀裂纹，也存在由外向内扩展的应力腐蚀开裂。
2分析结果讨论
众所周知，不锈钢发生应力腐蚀需要3个最基本的条件，即敏感的合金(材料因素)、特定的介质(环境因素)和拉伸应力(力学因素)［1］。
不锈钢管选用的材料为S31668(316)，对应我国的022Cr17Ni12Mo2奥氏体不锈钢。根据化学成分分析可知，该不锈钢管选用材料的化学成分符合S31668(316)的要求，是氯化物和硫化物敏感合金材料。能够引起Cr-Ni奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质很多，一般来说，氯化物的影响最大;硫化氢水溶液、连多硫酸也是产生应力腐蚀的介质［2，3］。不锈钢管的介质(柴油)中含有大量氯化物以及硫化物，符合不锈钢腐蚀特定介质(环境因素);不锈钢管外壁有保温层，保温层中含有一定的氯化物，保温层破损后，吸收空气中的水分，形成腐蚀性介质，也符合不锈钢腐蚀特定介质(环境因素)。不锈钢管道的操作压力为9．0MPa，受到环向拉应力作用，符合不锈钢腐蚀力学性能因素。
根据金相显微观察，裂纹贯穿整个管壁，沿厚度方向由内向外扩展，呈现树枝状，既有主干，又有分枝，裂纹以穿晶扩展为主。补焊区域也产生了裂纹，沿厚度方向由外向内扩展。
裂纹扫描电镜观察表明，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、羽毛状花样和韧窝形貌，断口上可见明显的二次裂纹。不锈钢管能谱分析表明，靠近内壁断口硫的质量分数最高达13．4%，氯的质量分数高达2．29%，外壁硫、氯含量高于内壁。介质中的氯化物和硫化物对不锈钢管的不断腐蚀，形成了由内向外扩展的裂纹;外壁保温层中的氯吸收空气中的水分，形成腐蚀性介质，对不锈钢管不断腐蚀，补焊后，焊接部位的工作应力残余应力降低了材料的抗腐蚀能力，在氯的作用下产生由外向内扩展的裂纹。最终在内外壁不利因素的双重作用下，导致不锈钢管的开裂失效。
3结束语
经分析可知S31688(316)不锈钢管泄漏原因为柴油中硫、氯含量较高，工作温度又恰好在应力腐蚀敏感温度范围内，使不锈钢管发生由内向外的应力腐蚀开裂;保温层中含有的Cl－吸收空气中的水分，形成腐蚀性介质，产生由外向内扩展的应力腐蚀开裂;在内外壁的腐蚀性介质及应力的双重作用下，导致不锈钢管的开裂失效。
文章作者：不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|小口径厚壁钢管-浙江至德钢业有限公司
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