炼油厂退碱线管道焊缝开裂原因分析

2022-09-10

1. 概述

某厂退碱线管的焊缝处发生了断裂。该条退碱线在2018年10月投入使用一次后，就没有再次使用。退碱线的管道规格为ф80×8mm，温度40℃，压力0.2MPa，介质为废碱液(20%NaOH)，管道材质为20钢。此段发生断裂的管道在退碱线的低凹位置，管道内会有废碱液残留。而且，退碱线有蒸汽伴热(即该段管线温度会高于40℃)。

2. 研究方法及结果

(1)宏观及低倍分析

管子断口处无明显塑性变形，为脆性断裂;断口上有棕红(黄)色的锈蚀，断口经过人工刷扫，故断口上的锈蚀有所减少，断口裂纹源在管子的内壁，有多个裂纹源;在断口上可见裂纹由内向外扩展的放射状条纹，见图1。

(2)材质分析

取块状样品，依据相关标准，使用光谱仪等，对管线材质进行化学分析。结果表明，管线的材质均符合20钢的标准成分要求，见表1。

(3)金相分析

在断口处，垂直于管子断口沿管纵向切取金相样品，经预磨、抛光、腐刻后，在显微镜下观察分析。断裂发生在直管与弯管的焊缝处，在焊缝断口附近还有与断口基本平行的裂纹存在;这些裂纹有分枝，沿晶扩展，具有应力腐蚀开裂的特征，见图2。

(4)电镜及能谱分析

在焊缝断口的裂纹源区，裂纹起源于管子内壁，向外扩展;断口上有腐蚀产物附着，仍可见沿晶断裂的痕迹;能谱分析表明，断口上的腐蚀产物主要是铁的氧化物，见图3、图4。

在焊缝断口的裂纹扩展区，可见裂纹快速扩展的河流状花样，其裂纹扩展方向与焊缝枝晶生长方向基本保持平行;能谱分析表明，断口上的腐蚀产物主要是铁的氧化物。在焊缝断口的最后断裂区，没有塑变剪切唇，仍为裂纹快速扩展的河流状花样;能谱分析表明，断口上的腐蚀产物主要是铁的氧化物。

3. 失效原因分析

前面对送检的退碱线断裂管进行了多项理化分析，结合退碱线管道的运行工况，认为该管焊缝处的断裂性质为碱脆。

碱脆是金属材料应力腐蚀的一种形式，是指金属及合金材料在碱性溶液环境中，在静拉伸力和腐蚀介质的共同作用下导致腐蚀开裂的现象。

钢的碱脆发生，一般要同时具备三个条件：

(1)较高浓度的NaOH溶液;

(2)较高的温度;

(3)拉伸应力。

碱液管线发生碱脆时其介质的浓度与操作温度存在着明显的制约关系[1]，碳钢管线在碱性介质中最低在50℃温度下就可能发生碱脆。碱脆的温度范围较宽，但最容易引起碱脆的温度是在溶液的沸点附近。据资料介绍：15%-48%的NaOH，温度低于82℃时不发生“碱脆”，而50%的NaOH在52℃时就发生“碱脆”。“碱脆”可使设备焊缝两边加热区出现裂缝，造成漏碱，一经漏碱，难以补焊。有理论认为低碳钢在热浓碱溶液中SCC机理属于沿晶阳极溶解型，SCC电位位于活化-钝化转变的范围内。腐蚀反应可能为，当局部NaOH质量分数大于10%时，金属的保护性氧化膜将被溶解，露出的基体金属进一步与碱反应，所形成的腐蚀产物为疏松、多孔的磁性氧化物，形貌为非层状结构，其水溶液呈现碱性。在锅炉或热交换器的水中只要含有10-20mg/L的NaOH，局部反复蒸发浓缩可以导致在沉积物下或缝隙中碱的浓缩,引起局部碱腐蚀;在碱腐蚀和拉应力同时存在的条件下，可以引起碱脆。有理论认为，腐蚀产生的部分H+扩散入金属内部，引起氢脆。所以，碱脆可以是氢致开裂型，也可以是阳极溶解型，或混合型开裂。碱脆裂纹一般呈现沿晶特征，有分叉，但也可能出现穿晶开裂的情况。

退碱线管道中输送过较高浓度的废碱液(20%NaOH)，在退碱线管道中一些相对低凹区及焊接缺欠、死角、缝隙等部位，容易有废碱液的残留。此次发生碱脆断裂的焊缝正是位于退碱线管道的低凹区域，因而，在管线断裂部位一定会有废碱液的积存，还有为防止退碱线管道内的物料凝固结晶，管道配有伴热系统，由于一定的原因，会使管道局部温度较大幅度的提高，达到碱脆易于发生的温度区间。另外，在管道的焊缝处相比其它部位，因焊接热加工的影响，会形成一定程度的应力集中。这样在较高的碱液浓度，较高的碱液温度及管道焊缝应力集中等因素的共同作用下，退碱线管道焊缝处发生碱脆断裂是完全可能的。