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TP321H不锈钢氯离子应力腐蚀开裂分析

文档作者：张明乐文档来源：中国石化青岛炼油化工有限责任公司		点击数：	更新时间： 2025年10月21日
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第39卷第4期
2010年7月
石油化工设备
PETR()_CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．39 No．4
July 2010
文章编号：1000—7466(2010)04—0100—03
TP321 H不锈钢氯离子应力腐蚀开裂分析
张明乐
(中国石化青岛炼油化工有限责任公司，山东青岛 266500)
摘要：对加氢预处理热高分仪表引压管所发生穿透性裂纹进行了详细分析，包括化学成分、金相组
织、断口形貌观察以及微区EDS能谱分析。结果表明，穿透性裂纹是由于不锈钢氯离子应力腐蚀
所引起。
关键词：TP321H不锈钢；氯离子应力腐蚀；管件；开裂
中图分类号：TG 172．9 文献标志码：B
Chloride—induced Stress Corrosion Cracking Analysis of TP32 1 H Stainless Steel Pipeline
ZHANG M ing-le
(Sinopec Qingdao Refining g>Chemical Co．Ltd．，Qingdao 266500，China)
Abstract：A TP321 H stainless steel pipeline with penetrated cracks was received by request of
failure analysis investigation，including chemical composition，metallurgical structure，the frac—
ture surface morphology and EDS energy spectrum analysis．The test indicated that penetrated
cracks were caused by chloride—induced stress corrosion cracking．
Key words：TP321H stainless steel chloride-induced stress corrosion cracking；pipeline；crack
石油化工行业中，奥氏体不锈钢设备和管线的
应力腐蚀问题引起了普遍的关注ll】 ]。应力腐蚀开
裂的发生通常需要孕育期，且时间有长有短，短至几
天，长至数年。应力腐蚀裂纹特征呈枯树枝状，大致
沿着垂直于拉伸应力的方向扩展，裂纹微观形态有
穿晶型、沿晶型或者二者兼而有之。
对于化工设备而言，焊接、冷加工以及安装时的
残余应力均是应力的来源。对于奥氏体不锈钢，引
发应力腐蚀开裂的是特定腐蚀性介质，主要包括
Na0H溶液、KOH溶液、NaOH+硫化物水溶液、含
Cl离子水溶液、F离子、Br离子、I离子、H S溶液、
高温水及水溶液、260。C水蒸气、海水、连多硫酸、二
氯乙烷、H。SO 、H。SO +氯化物等¨8]。
中国石化青岛炼油化工有限责任公司加氢预处
理热高分仪表的引压管位于液位位置，开工后半年
发现有穿透性裂纹，引压管更换后不到4个月的时
间内又发生了2次裂穿。引压管材质TP321，外径
2 mm，壁厚5．6 mm，接触介质为蜡油加氢反应产
物，操作温度260。C，操作压力11．0 MPa。文中对
引压管发生穿透性裂纹的情况进行了简要分析。
1 裂纹检验分析
1．1 外观检查
引压管外壁处泄漏点外观检查结果见图1。图
1可见，1 处为主裂纹，由内壁起源并形成穿透性裂
纹，长度约40 mm，总体上沿着管件轴向扩展，在裂
纹尖端转向径向扩展。2 为外壁上的孤立裂纹，处
于裂纹发展方向上，长度约为3 1Tim。
图1 引压管外壁宏观可见裂纹示图
收稿日期；2010—02—08
作者简介：张明乐(1968一)，男，山东青岛人，工程师，硕士，多年从事石油设备管理工作。
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第4期 张明乐：TP321H 不锈钢氯离子应力腐蚀开裂分析
1．2 化学成分测试
在泄漏引压管管件上选取样品1件，测试其化
学成分，结果见表1。从表1中可知，样品管道的化
学成分满足ASME SA一213对TP321的要求。
表1 泄漏引压管管件化学成分(质量分数)
元素 C Si Mn P S Cr Ni Ti
测试值0．036 0．64 1．22 0．020 0．00]5 1 7．46 9．21 0．206
ASME≤O．08≤O．75≤2．004o．o4o4o．030 17．00 9．0O～ 5×C～
SA一2】3 ～20．00 】3．OO 0 O6
1．3 金相组织
泄漏部位管件横截面金相组织见图2。由图2
中可见，裂纹贯穿整个管壁，呈现树枝状，既有主干，
也有分枝，裂纹呈现穿晶型。
(a)未浸蚀 (b)浸蚀
图2 泄漏部位管件横截面裂纹金相组织
1．4 主裂纹断口分析
1．4．1 宏观检查
主裂纹断口宏观检查结果如下：主裂纹断口呈
现黑褐色，为陈旧性断口；主裂纹对面的断口截面上
观察到黑褐色的陈旧性断口形貌和白亮金属颜色的
撕裂断口形貌。同时由于人为打开外力的作用，该
管件内壁上许多陈旧性裂纹也张开。
1．4．2 微观形貌
(1)人为打开断口 对人为打开的断口处采用场
发射扫描电镜所得结果见图3。由图3可见，裂纹起
源于管件内壁多处，向管件外壁扩展。断口上可清楚
地观察到裂纹源区、裂纹扩展区和人为打开韧窝区，
且从管道内壁点蚀坑处启裂。裂纹源形成后，呈扇形
向管道外壁扩展，且断口上有大量的裂纹。
(2)内壁附近断口 靠近内壁附近断口微观形
貌结果见图4。由图4可见，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、鱼骨状花样以及撕裂
棱。断口上可见二次裂纹，并覆盖有大量腐蚀产物，
局部晶面上还可观察到腐蚀坑的形貌。
(3)穿透性陈旧断口 管件外壁宏观可见的穿
透性陈旧性断口微观形貌结果见图5。由图5可
见，裂纹以穿晶形式扩展，微观断口形貌具有解理特
征，可观察到大量的河流状花样，断口上可见二次裂
纹，并覆盖有大量腐蚀产物。
图3 人为打开主裂纹微观形貌 图4 裂纹扩展部位微观形貌 图5 穿透性裂纹断Ll微观形貌
1．5 微区EDS能谱分析
为进一步明确断口表面腐蚀结垢物化学成分，
分别对断口裂纹源区部位和断El扩展部位进行了微
区EDS化学成分分析，分析结果分别见表2和表3。
由表2可知，在断口上探测到大量的C、O 以及
少量的AI、Si、Ca等。除此之外，还探测到大量的
P、S、cl等。由表3可知，在断口上探测到大量的
c、O、Fe、cr、Ni等元素，除此之外，局部区域还有少
量的C1元素。其中，s 一质量分数最高值为5．13 ，
Cl一质量分数最高值为1．55 。
2 开裂断口分析讨论
2．1 不锈钢应力腐蚀开裂的影响因素
氯离子不但能引起不锈钢孔蚀，而且更容易引
起不锈钢的应力腐蚀开裂。影响因素包括氯化物含
量、pH值、温度、应力、氧的存在和合金成分等。发
生氯离子应力腐蚀开裂的临界温度为6O℃ ，干湿或
蒸汽和水的交替变换也会有助于开裂，临界氯离子
浓度随着温度上升而减小，高温情况下，氯离子质量
浓度只要达到1 mg／L，即能引起破裂。应力可以是
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石u油化工设备 2010年第39卷
表2 两个区域EDS能谱分析结果 ％
表3 4个区域EDS能谱分析结果(质量分数) ％
外加的，也可以是加工残余应力 叫引。
2．2 HC1一H：S—H：O环境中不锈钢的应力腐蚀开
裂
在HC1一H。s_H O环境中，化工设备典型的腐
蚀部位为常压塔顶部5层塔盘、塔体、部分挥发线，
常压塔顶冷凝冷却系统(该部位腐蚀最为严重)，减
压塔部分挥发线和冷却系统，加氢精制装置的不锈
钢冷却设备，甲醛装置水冷却器，聚酯装置中泵冷却
器以及维纶抽丝装置中醛化液系统[1 。
一般气相部位腐蚀较轻微，液相部位腐蚀严重，
尤以气液两相转变部位即露点部位最为严重，影响
该部位的主要因素是原油中的盐水解后生成HC1
引起的。不论原油含硫及酸值的高低，只要含有盐，
就会引起不锈钢的腐蚀。
本例中，该引压管位于液位位置，属于气液两相
转变部位即露点部位，具有氯离子浓缩条件(反复蒸
干、润湿)，为最易发生氯化物应力腐蚀的部位，并且
与1Crl8Ni9Ti奥氏体不锈钢发生氯化物应力腐蚀
开裂的案例类似。
综上所述，本例中引压管开裂为氯离子诱发的
奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂。
3 结语
为了防止奥氏体不锈钢的氯化物应力腐蚀开
裂，应当选用双相不锈钢或高镍奥氏体钢，如
SAF2205(0OCr22Ni5Mo3N)双相不锈钢，或是
00Cr20Ni25Mo4．5Cu。SAF2205钢中加入了N元
素，提高了奥氏体不锈钢的稳定性。
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