硫酸裝置鑄鐵管道失效分析

王 猛,蘇同君,李偉娟,李志芳,劉 明

(中國石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司,河北 石家莊 050099)

1 失效管道基本情況

某煉化公司硫酸裝置管道多次發生貫穿性開裂,導致物料泄漏。失效管道位于硫酸生產單元中空氣干燥塔塔底溢流線上[1-2]。失效管道材質為鑄鐵,管道規格為DN200,管道壁厚為20 mm,操作溫度為80～90 ℃,輸送介質為濃硫酸,其質量分數為98%。

2 失效管道檢測分析

2.1 宏觀形貌分析

拆卸下來的失效鑄鐵管道和切下的法蘭件分別見圖1和圖2。

圖1 失效鑄鐵管道

圖2 切下的法蘭件

對兩者進行觀察分析,發現鑄鐵管道發生了貫穿性開裂,斷口邊緣相對鋒利,無塑性變形,開裂位置為鑄鐵管正下方、鑄造線附近。失效鑄鐵管道發生了明顯的腐蝕減薄,其內壁存在紅褐色腐蝕產物和白色沉積物,外壁存在紅褐色腐蝕產物和黑色沉積物;同時在管道內壁和外壁各存在1處裂紋源。

圖3為失效鑄鐵管道斷口的宏觀形貌。

通過觀察發現,在斷口上存在2處裂紋源,其中1號裂紋源從管道外壁萌生,向內壁擴展;2號裂紋源從管道內壁萌生,向外壁擴展。2處裂紋源均存在裂紋萌生區、放射區和剪切唇區。斷口無宏觀塑性變形,呈現脆性開裂特征,鑄鐵管道的失效形式為脆性開裂。此外,主裂紋沿著鑄造線擴展。

2.2 金相分析

取1號裂紋源作為研究對象,分別在裂紋萌生區和放射區取點,進一步研究微區的金相組織形貌特征,結果見圖4。從圖4來看,失效鑄鐵管道裂紋源的金相組織由片狀珠光體與石墨組成。

圖4 裂紋源金相組織

2.3 力學性能測試

分別在斷口附近、次近鄰位置和遠離斷口位置取樣并進行力學性能測試。不同區域鑄鐵的應力應變曲線如圖5所示,鑄鐵的力學性能在表1中列出。測試結果顯示,斷口附近、次近鄰位置和遠離斷口位置的材料力學性能差異較小。

表1 不同區域鑄鐵的力學性能

圖5 不同區域鑄鐵的應力應變曲線

2.4 截面銹層與二次裂紋分析

為了分析鑄鐵管道基體內部的腐蝕情況,使用掃描電鏡對斷口及斷口附近內壁、外壁的銹層截面進行觀察,結果如圖6所示。

圖6 不同位置銹層的截面形貌

由圖6可知,管道內壁與外壁均出現了蝕坑,且蝕坑底部由于應力集中而萌生了微裂紋,微裂紋能夠誘發鑄鐵管道的開裂失效。同時在管道內壁、外壁及斷口處均發現了大量的二次裂紋,這些二次裂紋均沿著片狀石墨擴展。這是由于在石墨與珠光體異相組織結構之間可以構成電偶腐蝕電池,腐蝕會優先沿著鑄鐵中的片狀石墨發展,使石墨片層成為裂紋萌生和擴展的優先位點,這會大幅度降低鑄鐵的力學性能,加快鑄鐵管道的開裂失效。

2.5 硬度測試

在鑄鐵管道的不同區域進行硬度測試,硬度測試結果在表2中列出。結果表明,斷口附近區域的硬度略高于遠離斷口區域的硬度。這應該與斷口附近相對較高的硅含量有關,而較高的硬度使得斷口附近區域的腐蝕開裂敏感性較高。

表2 不同區域鑄鐵的硬度

2.6 壁厚測量

將開裂的鑄鐵管道剖開,其內表面宏觀形貌見圖7。從圖7可明顯觀察到鑄鐵管道在液位線附近存在明顯的凹凸不平區域和曲率較大的凹坑。在液位線附近區域,沿管道軸向方向存在不均勻的腐蝕減薄區域。

圖7 失效管道內表面宏觀形貌

為了分析管道內不同位置的腐蝕情況,在管道上切取了兩個半環,使用游標卡尺測量半環的周向壁厚。壁厚測量結果如圖8所示,環向的壁厚分布極不均勻,中間段壁厚為20 mm左右,而斷口端僅有13 mm左右,壁厚相差近7 mm。

圖8 失效管道不同位置的壁厚

半環中間段為壁厚數據最大的部位,相比而言,斷口處的管壁最薄,結合斷口的宏觀形貌照片可知,斷口不同區域的厚度也有較大的差異。由于受到鑄造工藝的影響,管道環向壁厚分布極不均勻。鑄造線附近管壁較薄,在應力作用下發生了明顯的應力腐蝕開裂現象。

2.7 腐蝕產物成分分析

分別在失效鑄鐵管道的內壁和外壁刮取腐蝕產物進行XRD分析。XRD分析結果表明,內壁腐蝕產物主要為FeSO4和Fe3O4,這是鑄鐵受硫酸腐蝕而形成的;外壁附著物主要為SiO2,來自于管道表面涂覆的保護材料或者沾染的部分塵土。此外,使用能譜儀對斷口附近管道內壁和外壁的銹層截面進行元素分析。元素分析結果表明,內壁的腐蝕產物主要由O,Si,S和Fe等元素組成,且存在Si的富集,其富集促進了腐蝕產物膜的形成,進而誘發了膜下局部腐蝕,加速了微裂紋的萌生和擴展;相比而言,外壁腐蝕產物主要由Si,O和Fe等元素組成,其中的Si元素與管道上涂覆的保護材料及附著的雜質有關。

3 失效機理分析

上述分析結果表明,鑄鐵管道發生了典型的應力腐蝕開裂失效,其失效過程是管內介質、管道應力和管道材質等因素綜合作用的結果。

3.1 管內腐蝕介質分析

為了避免空氣和水分等雜質進入系統,進而影響硫酸品質,在干燥塔與循環槽之間設計了U型彎管,可以起到液封的作用。由于失效的鑄鐵管道位于U型彎管前,管內介質一直處于非滿管狀態,受加工量影響其液位上下波動,暴露在液位上方的管道內壁發生腐蝕生成浮銹。長期運行的混酸罐底部通常存在一些雜質顆粒,在濃硫酸的沖刷作用下,流體攜帶這些雜質顆粒沖擊鑄鐵表面,破壞其鈍化膜,使鑄鐵管道長期承受較大的沖蝕磨損,其壁厚分布會變得極不均勻。

3.2 應力來源分析

3.2.1 溫差應力

管道服役時其內部環境溫度并不恒定,有時是急劇變化的,由此造成的熱膨脹和冷收縮若受到約束,就會在管道內部產生溫差應力。在溫差應力的作用下,局部蝕坑會促進裂紋的萌生,增加了鑄鐵的開裂敏感性,從而加速鑄鐵管道的失效過程。

3.2.2 鑄造應力

受鑄造加工工藝的影響,鑄鐵管道的內部和外部組織表現出不均勻性。由于鑄鐵管道壁厚不均勻,在鑄造加工過程中,鑄鐵管道不同區域在同一時間冷卻成型時會因收縮不一致而產生鑄造應力。鑄鐵管道沿軸向開裂,開裂部位位于鑄造線附近,其壁厚與鑄造線兩側管道的壁厚相差較大。由于該處鑄造線明顯凸出,其形狀不連續,且出現應力集中,裂紋容易沿該處鑄造線擴展。

4 結論及建議

4.1 結 論

由上述分析可知,在溫差應力、鑄造應力、管內介質與管道材質等因素的綜合作用下,鑄鐵管道的開裂敏感性增強。鑄鐵管道因受到沖刷腐蝕而導致其壁厚分布不均,且由于管道存在鑄造缺陷,管道局部存在應力集中,這就為裂紋的萌生和發展提供了條件,最終導致管道發生了脆性開裂。

4.2 建 議

(1)增加管道外壁保溫措施,減小管道內壁與外壁的溫差應力。

(2)裂紋萌生和發展較為迅速,為了快速查找裂紋,建議對該系統的其他管道進行超聲檢測。

(3)更換管道材質,建議選用UNS N08020合金或球墨鑄鐵,并開展材質評價試驗。

(4)加強管道制造質量控制,防止出現鑄造缺陷,并確保組織成分均一分布。建議對成品管道進行消除殘余應力熱處理。

(5)消除管道拘束應力,進行無應力安裝,減少鑄造線附近應力集中的現象,從而降低材料的應力腐蝕開裂傾向。